基于多绕组变压器的均衡电路占空比设计方法

程夕明，薛涛

(北京理工大学 电动汽车国家工程实验室，北京 100081)

基于多绕组变压器的均衡电路占空比设计方法

程夕明，薛涛

(北京理工大学 电动汽车国家工程实验室，北京 100081)

针对电动汽车动力电池组在使用过程中出现的不一致现象，设计了一种基于多绕组脉冲变压器的电动汽车锂离子动力电池主动均衡电路。研究了多绕组变压器均衡系统的拓扑结构和工作原理，以及Top均衡和Bottom均衡两种控制策略，提出了基于最大占空比的脉冲变压器原、副边PWM设计方法，并建立了系统均衡电路的PSIM仿真模型。仿真和实验结果表明，在给定工况下，电池组均衡系统的原、副边绕组均实现了最大占空比控制和最高均衡电流工作，验证了均衡电路PWM占空比设计方法的正确性和有效性。

电动汽车;电池管理系统;主动均衡;多绕组变压器;脉冲宽度调制

0 引言

电动汽车在运行中,动力电池组不仅需要回收制动能量驱动汽车低速行驶,同时还要为车辆加速补偿额外能量。改善动力电池的容量，延长其循环寿命对电动汽车的性能有着重要意义[1-2]，由于单体电池电压和容量有限，通常将多个单体电池串并联形成大容量高电压电池组[3]。

串并联电池组中单体电池的化学特性、工作温度以及老化过程等存在不一致性，经过多次充放电循环，电池的荷电状态将产生差异，表现为单体电池电压发散越来越大，导致电池组的性能受到极大影响[4]。在实际过程中，当容量最小的单体电量告罄或充满时,串联电池组的放电或充电过程提前结束,在电动汽车动力电池组的使用过程中,单体电池性能不均衡是影响电池组工作的重要因素,因此对电池组进行均衡控制十分必要[5]。目前，国内外对电池组均衡方法的研究主要分为耗散均衡法和非耗散均衡法[6-14]两个研究方向。

针对电动汽车电池组由大量单体串并联组成的情况，本文提出了一种基于多绕组变压器的电池单体主动均衡电路，根据不同工况，采取两种均衡控制策略针对单体电池进行独立均衡。

1 均衡电路结构

基于多绕组变压器的电池均衡系统由电压采集、均衡控制、均衡器3个模块组成，如图1所示。系统通过电压采集模块持续检测电池电压，并将电压信号通过MultiCAN实时传输到控制模块，控制模块的MCU计算出每个电池的工作状态，确定均衡对象、启动及持续时间，然后产生金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor fi eld-effect transistor,MOSFET)驱动信号对动力电池组进行能量管理。

图1 均衡系统结构Fig.1 Structure of equalizer system

基于LTC6802芯片设计的电压采集模块在13ms内就可以完成电池组的电压检测，整体测量误差不超过0.25%。均衡控制模块采用的是英飞凌XC2238N高性能微处理器。

本文所设计的均衡系统可以实现单体电池与电池组之间能量的双向流动，因此针对不同工况，具有两种工作方式，即Bottom均衡和Top均衡。

1.1 Bottom均衡

在电池组放电或者静止状态下，均衡系统检测出低电压电池，通过均衡器将电池组的能量转移到该电池，防止电池发生过放现象，如图2所示。图中电池1的电压检测为最低电压，其值与电池组平均电压值之差大于系统启动阈值，系统对其进行能量补偿，具体过程如下：

1)均衡控制模块产生PWM信号驱动MOSFET7导通，电池组对原边进行充电。

2)MOSFET7断开之后，系统控制MOSFET1的导通，将储存在变压器的能量经过副边补偿给电池1。

图2 Bottom均衡原理Fig.2 Bottom balancing principle

1.2 Top均衡

在电池组充电或者静止状态下，系统检测出高电压电池，通过均衡器将该电池的能量转移到电池组，防止电池出现过充现象，如图3所示。图中电池6的电压检测为最高电压，其值与电池组平均电压值之差大于均衡系统启动阀值，系统对其进行能量转移，具体过程与上述的Bottom均衡类似。

图3 Top均衡原理Fig.3 Top balancing principle

2 均衡分析

均衡器工作于断续导通模式(discontinous conduction mode,DCM)，通过合理控制开关管的占空比可以实现电池组能量高效转移，Top均衡与Bottom均衡原理类似，本文以图4所示的单路均衡为例，分析Bottom均衡工作过程。

图4中，Vp和Vs分别为原、副边级所接电池组和电池，Lm和Lk分别为变压器的励磁电感和漏感，S1和S2为MOSFET开关，Rp和Rs分别变压器原、副边电阻，Np和Ns分别变压器原副边绕组，且Np:Ns=n:1。均衡器在一个开关周期内共有4个工作模态，主要波形如图5所示，其中VGP、VGS分别为初、副边MOSFET驱动信号。

图4 反激式多绕组均衡器Fig.4 Flyback multi-winding converter

图5 主要工作波形Fig.5 Main working waveforms

模态1[t0∼ t1]。t0时刻VGP由低电平变为高电平，S1持续导通，原边电流Ip不断增加。由于Rp很小，忽略其压降，该模态在t1时刻结束，原边电流的峰值为

在ton期间忽略电阻耗能，变压器储存的能量为

式中，Wp为变压器一个周期内储存的能量。

模态2[t1∼ t2]。t1时刻，VGP由高电平变为低电平使开关S1断开，变压器励磁电感的电压被副边电压嵌位，原边电流ip不断减少至t2时刻降为零。

式中：ip(t)为原边电流，Vs为副边绕组所接电池电压，n为变压器匝数比，t为时间。

同时，VGS由低电平变为高电平使S2导通，副边电流突为峰值后开始减少，由于Rs很小，忽略其压降。副边电流的峰值为

模态3[t2∼t3]。VGS持续为高电平使开关S2导通，副边电流is不断减少至t3时刻降至为零。

式中，is(t)为副边电流值。

在模态3期间，原边储存的电能由副边释放到单体电池。忽略电阻耗能，电池吸收的能量为

式中：Ws为变压器副边吸收的能量；η为均衡器效率。

式中，toffc为变压器副边释放电流的时间。

模态4[t3∼t4]。VGS变为低电平使S2打开，此时原、副边电流均为零。

3 工作占空比设计

提升变压器原边的工作占空比可以增加原边电流，加快电池组均衡速度。但是均衡电流值过大将损害电路元件，增加电路损耗，同时易使变压器工作在磁饱和状态。为合理设计均衡器的工作占空比，需要从以下5方面考虑。

1)防止变压器磁饱和。原边充电过程可以简化为RL电路的阶跃响应，如图6所示。

图6 变压器充电的RL模型Fig.6 RL model of transformer

当初始电流为零时，变压器两端的电压为

式中：V(t)为电感两端电压；Rp为原边电路等效电阻；Lp为原边电感，其中Lp=Lm+Lk。

原边两端的电压不断下降，变压器发生磁饱和时，电压值将降为零。因此设置电压阀值V∗，防止变压器发生磁饱和现象。

式中，V∗为设置的电压阀值。

式中，Dmax0为避免变压器发生磁饱和而设置的最大占空比。

2)原边导通时间ton过长，将导致原边电流过大。为保护电子元件，在变压器的原边电路安置了有效值为IFP的保险丝，因此原边电流的平均值不能超过IFP。结合式（1）与式（3）得满足条件2的最大占空比为

式中：IFP为原边保险丝的熔断值，Dmax1为避免原边电流过大而设置的最大占空比。

3)变压器工作在DCM模式。储存在变压器的能量需要在原边MOSFET打开之后由副边充分释放。结合式（8）得出满足条件3的最大占空比为

式中，Dmax2为确保变压器工作在DCM模式而设置的最大占空比。

4)在变压器的副边电路，为保护电子元件以及防止电流过大，安置了有效值为IFS的保险丝，因此原边电流的平均值不能超过IFS。结合式（5）得出满足条件4的最大占空比为

式中：IFS为副边保险丝的熔断值，Dmax3为避免副边电流过大而设置的最大占空比。

均衡器原边最大占空比Dp为

式中：Dp为原边最大工作占空比。

5)副边MOSFET的导通时间应小于副边的放电时间toffc，保证变压器充分释放能量并防止副边电池放电。结合式（8）得均衡器副边最大工作占空比Ds必须小于Dmax4。

式中，Dmax4为副边最大工作占空比。

4 变压器仿真模型

根据均衡电路原理图，在PSIM仿真环境下建立反激式多绕组变压的仿真模型，如图7所示。图中左侧为变压器原边，两端与串联电池组正负极相接。其中Rp为原边电路等效电阻，与开关并联的电容为MOSFET的等效结电容Cds。电阻Rs、电容及二极管组成原边电压关断缓冲电路，限制原边的漏极在开关断开之后产生的高电压。图中右侧为多绕组变压器的副边，分别与每个电池单体两端相连。每个支路都由电路等效电阻、滤波电容、MOSFET等效结电容组成。

图7 均衡器仿真模型Fig.7 Simulation model of equalizer

5 仿真结果

仿真参数为:开关频率设置为5 kHz；Rp=0.6Ω；Rs=0.5Ω；原边电压关断缓冲电路中=4 700Ω；=100 nF；采用STPS1H100A/U 型号的二极管；原、副边开关分别为IPD70N10和IPG20N04，考虑MOSFET室温下的最大导通电流及防止变压器磁饱确定保险丝值分别为IFP=2.5A；IFS=3.5 A；电池组由3节锰酸锂电池串联组成，Vp=11.6 V,Vs=3.6 V,V∗=Vp/6；变压器匝比n=4；变压器原边励磁电感Lm=30µH；漏感Lk=26µH；均衡器效率为38%，试验用多绕组变压器磁心有损耗，导致效率偏低。

占空比理论计算结果为：Dmax0=84%；Dmax1=31%；Dmax2=73%；Dmax3=37%，因此确定原边最大占空比Dp=30%；由式（16）计算得Dmax4=11%，副边占空比确定为Ds=10%。

仿真波形如图8所示，黑色为原边电流波形，红色为副边电流波形。图8(a)、图8(b)、图8(c)中原边的占空比均为Dp=30%，原边电流的平均值为2.4A非常接近原边保险丝的熔断值2.5 A，在Dp=30%的情况下，实现了原边最大占空比的控制方法。图8(a)、图8(b)、图8(c)中副边的占空比分别为Ds=8%、Ds=10%、Ds=12%，图8(a)中由于副边的占空比过小，MOSFET提前关断，导致副边电流没有充分被电池吸收，突降为零。图8(b)中副边的占空比最优，副边电流充分被电池吸收，电流逐渐降为零。图8(c)中副边的占空比过大，MOSFET推迟关断，副边电流充分被电池吸收之后，单体电池出现了放电现象，在Ds=10%的情况下，实现了副边最大占空比的控制方法。

图8 仿真结果Fig.8 Simulation results

6 实验结果

实验参数与仿真参数一致。原边、副边占空比分别为Dp=30%、Ds=10%。

主要波形如图9所示。图9(a)、图9(c)分别为原、副边电流波形，图中仿真与实测波形变化一致，表明了理论分析与仿真模型的正确性；副边充分释放了变压器储存的能量并且单体电池没有发生放电现象，验证了控制占空比设计的正确性。

图9(b)、图9(d)分别为原、副边的电压波形，在原边充电及副边放电过程波形基本一致，MOSFET断开之后由于电路的寄生参数引起电压震荡，寄生参数值变化导致波形存在误差。

图9 实验结果Fig.9 Experimental results

7 结论

本文设计了一种基于反激式多绕组变压器的动力电池均衡电路，提出了基于最大占空比控制的原、副边PWM设计方法，在给定情况下可以实现最大均衡电流，同时保证副边电路充分吸收变压器储存的能量，并且不发生单体电池放电现象。理论分析、电路仿真以及实验结果证明了该设计方法的有效性。该均衡电路与现有均衡方法相比具有以下优点：

1)针对单体电池独立均衡，避免简单的全盘、盲目均衡。

2)单体电池与电池组之间能量双向流动，实现多种控制策略。

3)拓扑简洁，便于模块化设计，一个均衡器负责一组串联电池，易于实施与应用。

变压器的数学模型与仿真模型没有考虑磁阻、磁滞、磁饱和现象，同时忽略了电路寄生参数，需要进一步完善。

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(编辑：于双)

Duty cycle design of battery equalizer based on multi-winding pulse transformer

CHENG Xi-ming,XUE Tao
(National Engineering Laboratory for Electric Vehicle,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081，China)

For the inequality phenomenon of battery packs in electric vehicles,a charge equalization converter using fl yback multi-winding transformer in electric vehicle battery system was designed.The principal and circuit of the equalization system were particularly presented,as well as two balancing strategies named Top balancing and Bottom balancing.Taking account of the maximum work duty cycle,the way to design the system control PWM was described,and the PSIM simulation model of the equalization circuit was built.The simulation and experiment results demonstrate that both primary and secondary winding achieve the maximum control duty cycle and the peak work equalization current,so the effectiveness of the PWM design method for equalizer is veri fi ed.

electric vehicle;battery management system;active balance;multi-winding transformer;PWM

TM 417

A

1007–449X(2013)10-0013-06

2013–01–25

国家自然科学基金(61004092)

程夕明(1970—)，男，博士，副教授，研究方向为新能源车辆动力系统模型与控制;

薛 涛(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为电动汽车电池管理系统、主动均衡技术。

程夕明