反激式开关电源中的电池双向均衡系统革新

摘要

为了解决电池均衡系统在均衡过程中被充电电池自行放电现象，避免出现不合理电流产生能量损耗，提出了使用主控MOS管与辅控MOS管的改进的电池均衡系统，实现了均衡电路中各回路电流流向的精确控制；以反激式开关电源为核心原件，完成了双向均衡电路的设计。通过在Matlab/Simulink平台下建立完整的均衡系统模型，并建立调参模型作为辅助模型，来对所建立均衡系统进行仿真。研究结果表明，在一定初始条件下，1C充放电倍率下充电时间延长171.1s、放电时间延长143.1s，1/3C充放电倍率下充电时间延长731.2s、放电时间延长868.5s，证实了改进均衡系统的有效性与实用性。

引言

由于环境问题日益严重，电动汽车逐步进入人们的视野，并且成为逐渐成为各大高校与科研机构研究的热点,然而电池问题成为电动汽车普及最大的挑战。为了满足电动汽车正常行驶时的电压与能量需求，电动汽车电池大多由许多电池一起串并联而成。然而，这样做会产生许多问题，比如：木桶效应，加速老化等等。为了解决这些问题，就需要对电池组进行均衡管理。

针对电池均衡系统，国内外科学家也做了大量的工作来进行研究。文献提出了在单体电池两端并联电阻的被动均衡方法，通过电阻放电的方式对电池进行均衡，这种方法的优点是结构简单，然而均衡效率低。文献提出了基于斩波电路的主动均衡方法，通过斩波电路实现相邻电池单体之间电压的均衡，这类方法的优点是效率高，然而仅仅只能解决相邻单体之间电压的不一致问题。文献提出了基于多绕组变压器的均衡方法，可以利用电池组的电压给电池组内单体电池供电，解决了电池均衡的损耗和均衡效果不理想的问题，该均衡结构具有控制简单，效率高，速度快等优点，然而该方案在实际应用中变压器存在体积大，制作困难等缺点。

本文以电动汽车用锂离子电池组为研究对象，提出了主控MOS管和辅控MOS管的概念，从而达到改进反激式开关电源的电池双向均衡系统的目的，避免在电池均衡过程中各个回路电流流向混乱，最后进行了仿真分析与实验验证，表明了所改进的电池均衡系统是有效的。

1 均衡系统电路与工作远理

均衡电路作为均衡系统的“效应器”，是均衡变量的直接调控者，可以使均衡变量逐步趋于一致，以改善电池组不一致状况。均衡电路的灵敏性和有效性对均衡系统的好坏至关重要。

因此，本文提出了一种新型的均衡系统来改进电池双向均衡系统，结构示意图如图1所示。

图1  结构示意图

均衡电路的核心是单铁芯、多次级绕组的双向反激式DC/DC转换器，它的初级回路由金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transis -tor，MOSFET，也叫MOS管）与整个电池组组成，它的每一个次级回路中，均包含有一个单体电池、MOS管与电容，电池组中电池的数量即为转换器次级绕组的数量。常规双向均衡系统中，每个回路均只含有一个MOS管，本均衡电路中，每个回路设置两个MOS管，定义回路中控制能量从电池中输出的MOS管为主控MOS管，定义回路中控制能量输入电池的MOS管为辅控MOS管，两者在回路中同时作用，可以准确控制电流的流动方向。以下图2所在回路中的两个MOS管为例， Q₁为主控MOS管，Q₂为辅控MOS管。

图2  简单的单电池回路

当某一回路中两个MOS管的开关管均断开时，在两个MOS管的二极管的作用下，电流不可流入电池组或电池，也不可流出；当两个MOS管的开关管均闭合时，则该回路中电流可双向流动；当初级回路或某一次级回路中的主控MOS管的开关管闭合时，从电池组或电池的正极流出的电流将可通过主控MOS管的开关管与辅控MOS管的二极管，实现电流的单向流动；当辅控MOS管的开关管闭合时，将实现该回路中电流流入电池组或电池；在未实施均衡时，均衡电路中所有的MOS管均处于断开状态，各个回路中无电流流动。

在本均衡系统中，根据电池组一致性情况，均衡电路将采取两种均衡方式之一进行均衡：“削弱强电池”和“补偿弱电池”。

当实施“削弱强电池”的均衡方式时，状态监测模块实时监测各个电池的特征参数情况，信号处理模块判断出哪个是强电池，假如电池1是强电池，均衡电路将采取以下工作模式：

 1）闭合次级回路中主控MOS管Q₁，电池1中有能量输出，经转换器的激励作用，初级线圈将储存一部分能量；

2）断开次级回路中主控MOS管Q₁，此时，初级绕组的极性为上负下正，闭合初级回路中辅控MOS管M₂，MOS管M₁中的二极管导通，使得储存的能量能够释放给整个电池组。

3）断开初级回路中辅控MOS管M₂，回到步骤（1），直至均衡结束。

同理，当实施“补偿强电池”的均衡方式时，假如电池1被判定为弱电池，

则均衡电路采取的工作模式为：

1）闭合初级回路中主控MOS管M₁，整个电池组放电，电池1所在次级回路的线圈将储存一部分能量；

2）断开初级回路中主控MOS管M₁，闭合次级回路中辅控MOS管Q₂，此时，储存的能量能够释放给电池1。

3）断开次级回路中辅控MOS管Q₂，回到步骤（1），直至均衡结束。

由于参与能量交互的两回路中，总是只有一个MOS管处于闭合状态，故而严格地控制了能量的流动方向，同时也实现了输出与输入能量的隔离。其余回路MOS管均一直处于断开状态，故其余回路无法实现电流流通，最大程度降低了电磁感应现象对其余回路的影响。

均衡电路通过控制MOS管开闭的时间及次序控制均衡实施的方式和效果。它的控制信号源自信号执行模块提供的PWM调节波，图3展示了当电池1被判断为强电池并采取“削弱强电池”均衡方法时，MOS管Q₁和M₂的脉冲信号情况。0～t₁时间内，表现为电池1放电，t₁～t₂时间内，表现为整个电池组充电。0～t₂时间即是一个充放电的循环周期。

图3  电池放电脉冲

当电池1被判断为弱电池并采取“补偿弱电池”均衡方法时，MOS管M₁和Q₂的脉冲信号情况如图4所示。

图4  电池充电脉冲

2 均衡策略设计

如图5给出的控制策略的整体流程图，控制策略接收状态监测模块信息流中传来的电池性能参数的实时监测数据，控制策略模块以此为据判定电池组的性能情况，若判定需要进行均衡则给出均衡指令对电池组进行调控，直到电池组性能情况达到系统要求为止。因此，控制策略的功能在于两部分：第一，合理评价电池组的健康状态；第二，做出正确均衡指令。下面，将从如何实现这两部分功能介绍控制策略的整体设计。

图5  均衡系统整体工作流程图

控制策略制定的目标在于提供给信号执行模块具体的执行指令，以改变均衡电路运行方式，从而改善电池组的不一致性。而由于电池所处的状态不同，所选取的能代表单体电池均衡变量不同，并且均衡后应达到的状态需求也不同，故而，应针对电池组所处的三种不同的状态制定不同的均衡指令。

2.1 充电状态

电池组处于充电状态时，若某一节单体电池达到充电截止电压，则无论其它单体电池的容量如何，整个电池组都将会中断。因此，充电状态时电池组充电时间的长短及电池组的整体容量将由电池组中强电池决定。故充电状态时，均衡指令制定的目标在于控制强电池的充电电压与剩余容量，即需要采取“削弱强电池”的均衡方法。

本系统设计将充电电压U_in作为电池组充电状态时的均衡变量，因此，充电状态时均衡指令的制定也将基于各单体电池的充电电压，均衡的起止决定于组内各单体充电电压的极差值r_set。

根据5的流程图，均衡策略模块首先接收来自状态监测模块信息流中各电池的充电电压值V₁、V₂…V_n（n为样本容量，即电池组内的电池数量），计算其极差值r，当极差值超过所设定的界限值时，即r＞r_set时开始“削弱强电池”均衡方法的指令制定：另充电电压最高的电池所在回路中的主控MOS管的控制端口通入PWM控制信号，并使转换器初级回路中的辅控MOS管的控制端口通入与其相反的PWM控制信号，使两个MOS管的开关管交替闭合与断开，从而使充电电压最高的单体电池释放电能分给整个电池组，直到此单体电池的充电电压与电池组中最小充电电压的差值不高于界限值时，则完成了一次均衡。而后，均衡策略模块重新对电池组健康状况进行分析评价，决定是否开始制定均衡指令，进行下一次的均衡。这样，经过多次均衡，将会有效调控电池组中出现的最大充电电压，延长充电时间并增加电池组充入的总能量，从而提高充电效率。

基于以上分析，在充电状态时，控制策略模块的具体工作流程如图6所示。

图6  充电状态下控制策略模块工作流程

2.2 放电状态

电池组放电状态时，采用放电电压U_out作为均衡变量，状态监测模块信息流中提供的是各电池的放电电压值V₁、V₂…V_n（n为样本容量，即电池组内的电池数量），同样以放电电压的极差值r＞r_set作为开始均衡指令指定的标志。

但不同的是，电池组处于放电状态时，电池组放电时间的终止将由电池组中弱电池决定，故充电状态时，均衡指令制定的目标在于控制弱电池的放电电压与剩余容量，即需要采取“补偿弱电池”的均衡方法。“补偿电池”均衡方法的指令制定：另转换器初级回路中的主控MOS管的控制端口通入PWM控制信号，放电电压最高的电池所在回路中的辅控MOS管的控制端口通入与初级回路中相反的PWM控制信号，使两个MOS管的开关管交替闭合与断开，从而使整个电池组释放电能补偿给弱电池，直到此单体电池的放电电压与电池组中最大充电电压的差值不高于界限值时，则完成了一次均衡。而后，均衡策略模块重新进行均衡判断和新一轮均衡，多次均衡后，将会有效调控电池组中出现的最小放电电压，延长电池使用时间。因此，放电状态下控制策略模块的工作流程如图7所示。

图7  放电状态下控制策略模块工作流程

2.3 搁置状态

电池组处于搁置状态下与放电状态下的均衡控制模块工作流程与工作需求类似。搁置状态下，同样以采样电压的极差值r＞r_set作为开始均衡指令指定的标志，同样以控制弱电池（电压最低、剩余容量最少）的放电电压与剩余容量作为均衡指令制定的目标，即同样采取“补偿弱电池”的均衡方法。不同的是，电池搁置状态下的均衡变量采用开路电压U_oc，因此状态监测模块信息流中提供的是各电池的开路电压值。

3 系统仿真与实验测试

均衡系统的仿真平台需要实现电路与逻辑运算处理的动态仿真，因此，本文选取美国Math Works公司出品的MATLAB软件作为仿真模型建立的软件工具，以其中强大的Simulink组件作为仿真平台。在SimPowerSystem中参考图1的电路结构，搭建仿真模型，如图8所示。

图8  仿真模型

置仿真系统在1s的步长下运行10000s，输出六节串联电池的SOC随运行时间变化的曲线如图9所示，提取出均衡前后六节串连电池的SOC值如表1所示。

图9  搁置均衡下SOC变化曲线图

表1  均衡前后SOC值

从图9可以看出，6号电池的SOC值呈上升趋势，其余电池的SOC值处于下降趋势，即均衡过程中整个电池组在对6号电池进行充电。对比六节电池样本初始值的设置，6号电池初始容量最低，证明均衡过程中采用的是“补偿弱电池”的均衡方式，仿真结果与设计预期情况相同。

1）同时，4号电池的SOC值在均衡过程中出现了小幅度下降，这种情况是由于Simulink系统中的电池模型的SOC估计值存在一定误差，且运行过程中电池的开路电压存在一定的波动，从而在一定程度上影响电池模型的SOC估计。

2）从表1可以看出，均衡过程前，电池组中SOC极差值为21%；均衡过程后，电池组中SOC极差值约为7.3%，此时电池组中开路电压的极差值达到了0.01V。对比均衡过程前后的SOC极差值，减小了13.7%，证明均衡有效。

3）根据表1中的数据，计算出均衡过程前后样本SOC值的方差分别为290、28.45518，可见电池组中SOC值的离散程度大大降低，电池组一致性得到改善，证明均衡有效。

4结论

本文以电动汽车用锂离子电池组为研究对象，完成了基于反激式DC/DC转换器的双向均衡系统设计，并进行了仿真分析，验证了系统的有效性。

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