0 引言

    電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組由多個(gè)單體電池串聯(lián)構(gòu)成，受工藝的限制，即使同一批次生產(chǎn)的電池也不能保證性能完全一致，其存在容量、內(nèi)阻及自放電率等差異，而且隨著循環(huán)充放電次數(shù)的增加，電池單體之間的差異會(huì)越來(lái)越顯著，嚴(yán)重影響電池壽命，并存在安全隱患，因此，對(duì)電池進(jìn)行均衡十分必要^[1-2]。目前，鋰離子電池主要有被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種方式^[3-4]，其中基于反激變壓器的主動(dòng)均衡具有均衡效率高、均衡速度快等優(yōu)勢(shì)，在近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注。

    反激變壓器存在漏感引起的電壓尖峰問(wèn)題，應(yīng)用于反激變換器的RCD鉗位電路能夠有效地抑制電壓尖峰，避免對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的損害，但功率管轉(zhuǎn)移到吸收網(wǎng)絡(luò)的能量都耗散在電阻發(fā)熱上，導(dǎo)致拓?fù)湫式档?sup>[5-6]。LCD無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò)相較于RCD鉗位電路，不僅沒(méi)有電阻發(fā)熱損耗，將能量直接返回至電源，還能在吸收電壓尖峰的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率管的軟開(kāi)關(guān)，提高變換器效率^[7-8]。針對(duì)上述各類拓?fù)洌芯科鋺?yīng)用于均衡電路的可行性和控制方案，對(duì)減小均衡過(guò)程的損耗、提高能量利用率具有重要的意義。

    本文給出了一種新型均衡方案，其中均衡電路采用反激式變壓器拓?fù)?，通過(guò)LCD回路吸收電壓尖峰，并利用變壓器漏感和LCD回路中的電感電容元件諧振實(shí)現(xiàn)功率管的軟開(kāi)關(guān)，減小電路損耗。文中首先介紹了均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析電路的開(kāi)關(guān)模態(tài)和功率管實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的可行性，制訂了均衡的控制策略，通過(guò)MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行仿真，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的均衡方案能夠達(dá)到良好的均衡效果。

1 基于反激變壓器的均衡電路

1.1 電路拓?fù)?/strong>

    均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，U_batn為第n節(jié)電池的電壓，U_bat為電池組的電壓總和，S_n為變壓器第n路低壓側(cè)的功率管，L_n、C_n1、D_n為低壓側(cè)對(duì)應(yīng)的LCD吸收網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電池有N節(jié)時(shí)，反激式變壓器的高、低壓側(cè)的匝數(shù)比取N：1。

    可以看出，變壓器高壓側(cè)輸出端連接整個(gè)電池組，低壓側(cè)輸入端連接待均衡電池單體，當(dāng)采用頂部均衡時(shí)，僅對(duì)荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）高于平均值的電池進(jìn)行放電，將能量轉(zhuǎn)移給整個(gè)電池組，SOC低于平均值的電池能夠?qū)崿F(xiàn)被動(dòng)能量接收，因此變壓器高壓側(cè)可用二極管替代全控式功率管，從而簡(jiǎn)化電路及其控制策略。圖中S₁~S_N由PWM信號(hào)控制，通過(guò)檢測(cè)對(duì)應(yīng)U_bat1~U_batN的SOC對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行使能。

1.2 開(kāi)關(guān)模態(tài)分析

    單路均衡拓?fù)潆娐啡鐖D2所示，L_ik、L_m分別為變壓器低壓側(cè)漏感和勵(lì)磁電感。當(dāng)S_n導(dǎo)通時(shí)，U_batn加于變壓器低壓側(cè)，變壓器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在同名端為正，高壓側(cè)由于二極管D₀的存在，無(wú)電流通路產(chǎn)生，低壓側(cè)繞組相當(dāng)于電感儲(chǔ)能；當(dāng)S_n關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組電動(dòng)勢(shì)反相，使D₀導(dǎo)通，變壓器將儲(chǔ)存的能量釋放給整個(gè)電池組，且由于LCD吸收回路的存在，避免了電壓尖峰。

    圖3給出了電路工作時(shí)的關(guān)鍵波形，從上到下依次是S_n的驅(qū)動(dòng)信號(hào)u_gn，流過(guò)S_n的電流i_S，S_n的漏源電壓u_ds，C_n兩端電壓u_Cn，流過(guò)L_n的電流i_Ln，流過(guò)漏感L_ik的電流i_ik。電路中各元器件均為理想器件，S_n關(guān)斷時(shí)電路的電流方向如圖4所示。

    (1)模態(tài)1[t₀-t₁]

    t₀時(shí)刻，S_n關(guān)斷，由于C_n與L_ik中有前階段存儲(chǔ)的能量，所以i_ik方向不能突變，D_n2導(dǎo)通，形成續(xù)流通路。C_n與L_ik諧振，起始時(shí)u_Cn上正下負(fù)，諧振回路的初始能量為：

    U_Cn為C_n的諧振電壓峰值，ω₁為諧振頻率，表達(dá)式為：

    諧振電流可表示為：

    忽略線路損耗，根據(jù)能量守恒定律，聯(lián)立式(1)、(2)、(4)，化簡(jiǎn)可得諧振電壓峰值U_Cn表達(dá)式為：

    功率管漏源電壓u_ds表達(dá)式為：

    由上式可看出，在t₀時(shí)刻，u_ds從零開(kāi)始逐漸增大，即實(shí)現(xiàn)了功率管的零電壓關(guān)斷。

    (2)模態(tài)2[t₁-t₂]

    S_n關(guān)斷，D₀導(dǎo)通，D_n1、D_n2截止，能量由變壓器流向電池組，電池組繼續(xù)被充電。此模態(tài)維持狀態(tài)很短，u_Cn基本保持不變，仍為反向最大值；i_ik也基本保持不變，仍為零值；u_ds快速減小，到達(dá)t₂時(shí)刻，模態(tài)2結(jié)束。

    (3)模態(tài)3[t₂-t₃]

    S_n關(guān)斷，D₀、D_n1導(dǎo)通，D_n2截止，LCD吸收網(wǎng)絡(luò)將部分能量返回至第n節(jié)電池。由于模態(tài)2結(jié)束時(shí)，滿足u_Cn≥U_batn，使D_n1正偏導(dǎo)通，此時(shí)U_Cn經(jīng)D_n1、L_n、U_batn、變壓器繞組回路釋放部分電能至第n節(jié)電池；若模態(tài)2結(jié)束時(shí)，u_Cn＜U_batn，則不能形成反饋回路，直接跳轉(zhuǎn)至模態(tài)4。期間，C_n放電，u_Cn絕對(duì)值逐漸減小；L_n充電，i_Ln逐漸增大；L_ik充電，i_ik反向增大；u_ds緩慢減小。當(dāng)?shù)竭_(dá)t₃時(shí)刻時(shí)，開(kāi)通S_n，模態(tài)3結(jié)束，i_ik達(dá)到反向最大值，C_n中儲(chǔ)存的能量尚未釋放完畢，u_Cn保持上負(fù)下正。

    (4)模態(tài)4[t₃-t₄]

    S_n導(dǎo)通時(shí)電路的電流方向如圖5所示。t₃時(shí)刻，S_n、D₀、D_n1導(dǎo)通，D_n2截止。L_n、C_n參與諧振，C_n放電，u_Cn下正上負(fù)，絕對(duì)值減?。籐_n充電，i_Ln逐漸增大；i_S從零開(kāi)始逐漸增大；由于L_ik中儲(chǔ)存的能量尚未釋放完畢，所以i_ik的流向不能突變，同上一模態(tài)。當(dāng)漏感中能量釋放完畢時(shí)，模態(tài)4結(jié)束，到達(dá)t₄時(shí)刻，i_ik值為零；C_n中能量基本釋放完畢，u_Cn約為零；L_n中存儲(chǔ)能量達(dá)到最大值，i_Ln為正向最大值。

    該模態(tài)下流過(guò)功率管的電流表達(dá)式為：

    I_LC為諧振電流峰值，同樣可由能量守恒定律得到，ω₂為諧振頻率，表達(dá)式為：

    L_ik不參與諧振，其流過(guò)的電流i_ik線性上升，表達(dá)式為：

    由于前一模態(tài)中電感L_n和L_ik串聯(lián)工作，因此本模態(tài)初始t₃時(shí)刻滿足：

    由上式可看出，在t₃時(shí)刻即所有導(dǎo)通時(shí)刻，i_S從零開(kāi)始逐漸增大，實(shí)現(xiàn)了功率管的零電流開(kāi)通。

    (5)模態(tài)5[t_4-t₅]

    S_n、D_n1導(dǎo)通，D₀、D_n2截止，第n節(jié)電池向變壓器釋放能量。期間，L_n、C_n參與諧振，C_n充電，u_Cn從零變?yōu)樯险仑?fù)，基本呈現(xiàn)線性上升；L_n放電，i_Ln逐漸減??；L_ik充電，i_ik從零逐漸增大，流向與前一模態(tài)相反。當(dāng)u_Cn=U_batn時(shí)，到達(dá)t₅時(shí)刻，模態(tài)5結(jié)束。此時(shí)刻，諧振狀態(tài)停止，i_S達(dá)到小范圍內(nèi)的最大值。該模態(tài)為模態(tài)6的準(zhǔn)備階段，C_n充電，u_Cn逐漸增大，若最終能達(dá)到u_Cn≥U_batn，則會(huì)進(jìn)入模態(tài)6，否則，不進(jìn)入模態(tài)6，直接跳轉(zhuǎn)至模態(tài)1。

    (6）模態(tài)6[t₅-t₆]

    S_n、D_n1、D_n2導(dǎo)通，D₀截止，LCD吸收網(wǎng)絡(luò)將部分能量返回至第n節(jié)電池。u_Cn被鉗位在U_batn，使D_n2正偏導(dǎo)通，此時(shí)L_n電流iLn經(jīng)回路D_n2、D_n1、L_n、U_batn流通，電感能量反饋至第n節(jié)電池。形成反饋通路后，i_Ln將流過(guò)第n節(jié)電池，所以i_S會(huì)發(fā)生跳變至i_ik值，L_ik充電，i_S隨i_ik線性上升；C_n的能量不變；L_n放電，i_Ln逐漸減小。當(dāng)i_Ln減小至零時(shí)，到達(dá)t₆時(shí)刻，模態(tài)6結(jié)束，能量反饋狀態(tài)停止，u_Cn仍被鉗位在U_batn值；L_n放電完畢，i_Ln值為零；變壓器所儲(chǔ)存的能量達(dá)到最大值。

2 控制策略

    均衡控制流程圖如圖6所示，在電池組的充放電過(guò)程中，電池單體的SOC由BMS(Battery Management System)估算，因此使用SOC作為均衡控制量，單體電池的SOC誤差表達(dá)式為：

    當(dāng)檢測(cè)到ΔSOC高于容差范圍ε時(shí)，功率管S_n的驅(qū)動(dòng)信號(hào)使能，通過(guò)閉環(huán)PWM控制使得該電池單體向變壓器釋放能量，占空比恒定為最大值0.5，在此過(guò)程中電池單體SOC的減少量ΔSOC′為：

    式中Q_bat為電池總?cè)萘?，i為檢測(cè)到的流過(guò)電池的電流。當(dāng)ΔSOC′與ΔSOC的誤差小于容差范圍ε時(shí)，對(duì)應(yīng)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)拉低，結(jié)束放電過(guò)程。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    利用MATLAB/Simulink搭建均衡電路的仿真模型。LCD吸收網(wǎng)絡(luò)中的C_n1取1.9 nF，L_n取1 μH，C₀取47 μF，C_n2取63 μF，功率管與二極管均為理想器件。變壓器低壓側(cè)分別連接三節(jié)電池單體，高壓側(cè)連接整個(gè)電池組，可得如圖7所示低壓側(cè)的仿真波形，圖中從上到下依次是功率管S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)u_g1、漏源電壓u_ds與流過(guò)S₁的電流i_S，吸收網(wǎng)絡(luò)中的電容C₁₁兩端電壓U_C1與流過(guò)電感L₁的電流i_L1。

    在仿真的基礎(chǔ)上搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將3節(jié)電池單體進(jìn)行均衡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件與仿真條件相同。主控芯片選擇MC9S12XEG128，其模數(shù)轉(zhuǎn)換接口可以將采集來(lái)的電池的電壓、電流、溫度信息進(jìn)行處理，計(jì)算出單體電池的SOC，從而根據(jù)控制策略進(jìn)行均衡控制。系統(tǒng)分別采用LTC6803、CS5460A、DS18B20采集電池的電壓、電流、溫度。實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示，由上至下依次為S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)u_g1、流過(guò)S₁的電流i_S與漏源電壓u_ds。

    由圖7與圖8均可以看出，當(dāng)u_g1變?yōu)楦唠娖胶?，u_ds降為零，i_S從零開(kāi)始逐漸增大，實(shí)現(xiàn)了S₁的零電流開(kāi)通；功率管關(guān)斷時(shí)，i_S降為零，u_ds逐漸增大，實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。可以看出，均衡電路在實(shí)現(xiàn)功率管的軟開(kāi)關(guān)的同時(shí)消除了電壓尖峰。

    圖9為對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)各電池單體電壓分布，沒(méi)有均衡系統(tǒng)的各電池單體電壓比較分散，而加設(shè)均衡系統(tǒng)后各電池單體電壓變得比較集中，通過(guò)兩圖的對(duì)比，可以證明該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的均衡電路能夠達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)均衡的目的。

4 結(jié)論

    本文研究了電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組的均衡方案，給出了帶LCD吸收網(wǎng)絡(luò)的反激式變壓器均衡電路及其控制策略，對(duì)均衡電路的各工作模態(tài)進(jìn)行了分析，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了均衡方案的可行性。所提出的均衡方案具有以下優(yōu)勢(shì)：

    (1)保持了反激式變壓器均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原有的均衡速度快、均衡效率高的特點(diǎn)。

    (2)加設(shè)LCD吸收網(wǎng)絡(luò)后可較好地抑制電壓尖峰，同時(shí)通過(guò)電容與電感的諧振作用，實(shí)現(xiàn)了功率管的軟開(kāi)關(guān)，保護(hù)了電路并減少了損耗。

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作者信息:

劉新天，成偉菁，何  耀，鄭昕昕，曾國(guó)建

（合肥工業(yè)大學(xué) 新能源汽車(chē)工程研究院，安徽 合肥230009）