基于反激式变换器的锂电池组均衡系统设计

罗卫军，朱玉玉，武丽

(西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010)

基于反激式变换器的锂电池组均衡系统设计

罗卫军，朱玉玉，武丽

(西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010)

针对大容量锂电池组在电动汽车中的应用，提出并设计了一种基于反激式变换器的锂电池组均衡系统。通过微控制器和驱动电路控制双向同步反激式变换器实现电池能量的双向转移，配合相应的均衡策略，进而实现电池组的双向均衡。采用12路串联锰酸锂电池组进行实验，实验数据表明该系统工作稳定，使用灵活，均衡效率高，均衡电流大。

锂电池组；双向均衡；反激式变换器；电池管理系统

近年来，随着石油能源的枯竭和世界各国对环保的重视，以纯电动汽车为代表的新能源汽车发展迅猛。锂电池以其绿色环保，高比能量、高比功率等优点，广泛应用于电动汽车[1-3]。在实际应用时，通常需要上百个单体电池串联使用以获得数百伏的电压。锂电池在制造时由于工艺、原料等因素会存在一定的不一致性，同时受电池工作环境的影响，单体电压的不一致性会随着使用时间不断加大[4]。锂离子电池对过充电，过放电比较敏感，过充电和过放电很容易造成电池的损坏，因此当电池组中有一块电池电压达到最高充电电压时，就不能对整个电池组充电。同样，当电池组中有一块电池电压达到最低放电电压时，就不能对整个电池组放电，从而导致电池组的可用容量大大减小，即“木桶效应”[5-6]。均衡控制系统可以有效减小电池组的不一致性，这对于电动汽车有十分重要的意义：不仅可以显著提高电池组的使用寿命，还可以充分利用电池的储能能力，进而提升续航里程。

1 现有主流均衡方案分析

目前的均衡方法按照能量转移情况，可分为能量耗散型和能量转移型。能量耗散型均衡方案最常用方式是电阻耗散结构，如图1所示。通过控制电压较高的电池上的晶体管导通，对其进行放电，直到与低电压的单体相近。这种方案结构简单，控制方便，但是均衡过程中耗散的能量都以热量的形式散发出来，对系统的散热要求高，会造成能源浪费，并且无法均衡电压过低的电池，不适用于大容量电池组。

图1 电阻耗散型均衡方案原理图

能量转移型均衡方案主要利用电容或电感来实现电池单体间的能量转移，均衡过程中消耗的能量少，主要有电容式、电感式和DC-DC变换器均衡。文献[7]采用了电容式均衡方式，其结构如图2(a)所示，通过控制相邻两个单体对应的开关切换，利用电容作为储能媒介，把高电压的单体中的电荷转移到低电压单体中。这种方式有两个比较大的缺陷：一是当相邻单体的电压差较低时，均衡电流很低，难以快速达到均衡目的；二是只能在两个相邻单体之间进行能量交换，如果电池组中高电压和低电压的单体间隔较远时，需要通过其他单体进行能量传递的媒介，进一步降低均衡效率。文献[8]采用了如图2(b)所示的电感式均衡方式，工作原理和电容式相似，均衡电流有所提高，但是也存在只能在相邻单体之间传递能量的缺点。DC-DC变换器法是利用变压器进行能量传递，根据变压器的形式和连接方式，可以有多种实现方式，文献[9]采用了DC-DC变换器均衡。图2(c),2(d)是其中比较常用的两种均衡方式，目前大多采用单向均衡的方法，即通过变压器用整组电池对低电压单体充电，或对高电压单体放电。对于图2(c)所示的结构，当整个电池组中只有少数电池电压较高时，这种均衡方式能较高效地工作，而当电池组中少数电池的电压较低时，均衡时间长，均衡效率低。图2(d)所示的情况与之类似，在少数电池电压较高的情况下均衡效率低。采用双向均衡的结构能够有效避免这种情况发生。

图2 几种主要的能量转移型均衡方案结构图

2 双向主动均衡方案设计

2.1 系统结构设计

基于同步反激式变换器的锂电池组均衡系统结构图如图3所示。电池组由N个单体串联构成，通过主控模块采集电池组中的单体电压，根据单体电压分布情况执行相应的均衡控制策略，根据均衡策略控制均衡电路对电池组内各单体进行均衡。

图3 双向主动均衡系统结构图

2.2 单体电压采集

作为整个均衡系统的基础，单体电压采集的稳定性和精度直接关系到均衡策略。本系统采用电池管理专用的电压采集芯片LTC6804-1，该芯片是一款集成基准源的串联电池组检测芯片，能够以16位分辨率和优于0.04%的准确度测量12节串联电池，12个通道能够在290 ms测量完，支持菊花链式级联，便于系统扩展。

2.3 均衡电路设计

本文设计的均衡电路由N个同步反激式变换器及均衡控制单元组成，如图4所示。变压器的原边与单体电池两端连接，变压器副边与整组电池的正负极连接。开关管由均衡控制单元驱动。均衡控制单元根据主控模块的信号，控制相应的开关管导通和关断。通过控制原边和副边导通的顺序，即可控制能量传输的方向，从而实现能量的双向传输。该电路采用同步方式工作，可以大大降低均衡过程中的能量损失，但是其控制方式比较复杂。本文采用LTC3300作为均衡电路的控制芯片，该器件可用于多达6节电池组的双向主动均衡系统，集成了所有相关的栅极驱动电路，可堆叠的架构可使系统工作在高达1 000 V的电池组中。

图4 双向主动均衡电路结构图

2.4 均衡器理论分析

如图5所示，反激式变换器由变压器、MOS管和电流检测电阻构成。对单体1进行放电操作时，由均衡控制单元控制MOS管Q1P导通，初级绕组中的电流成斜坡上升，当通过检测电阻RP测得的线圈电流达到所设定的峰值电流IPEAK_PRI，Q1P关断，同时Q1S同步开启以最大限度地减少能量损失，此时存储在变压器中的能量被转移到次级线圈，次级线圈中的电流反向流动，给电池组充电。初级线圈和次级线圈中的电流分别为：

式中：S为次级连接的电池串中单体的数量；T为变压器次级/初级的匝数比；η为转换效率。

对单体1进行充电操作时，Q1S导通，次级绕组电流逐渐增大，直到电流达到IPEAK_SEC，Q1S关断，同时Q1P同步开启，使次级线圈中的能量转移到初级线圈，初级线圈产生反向电流给单体充电。对应的初级线圈和次级线圈中的电流分别为：

图5 双向同步反激式变换器结构图

由控制方式可知，系统中的反激式变换器工作在DCM模式，其充放电周期的波形如图6所示。充放电的频率可由下式得出：

式中：LPRI为初级绕组的电感量。

图6 双向同步反激式变换器充放电波形

2.5 均衡策略

当电池单体处于充电或放电时，由于存在欧姆内阻和极化内阻[10]，在较大均衡电流(5～10 A)下，测量得到的单体端电压会存在比较明显的误差。当均衡系统以电池端电压为依据进行均衡时，单体的充放电会造成单体电压检测不准确，进而对均衡策略造成不利影响。本文采用一种补偿方法对充放电造成的端电压的误差进行补偿：当对单体进行均衡时，先测量均衡前的端电压Vbal_b，再开启均衡，均衡5 s后，再次测量端电压Vbal_a，由于均衡时间很短，对电池的容量几乎没有影响，所以前后两次测量值之差ΔVbal=Vbal_a－Vbal_b，即电池内阻造成的误差值。在均衡过程中，对正在进行均衡的电池单体，将采集得到的电压再减去对应的ΔVbal以补偿内阻造成的误差。

执行均衡策略时，当电池组中单体压差大于设定的阈值电压(Vmax－Vmin>Vbalance)，开始执行均衡，否则不均衡；在满足均衡条件的情况下，当单体电压大于平均值且两者之差超过设定值，对其进行放电均衡；当单体电压小于平均值且两者之差超过设定值，对其进行充电均衡。

3 实验

在理论分析的基础上，设计了一台实验装置，并对该装置进行实验验证。实验装置采用模块化设计，包含一个控制板，2个均衡电路板和一个串联电池组，电池组包含12个电池单体，每一个单体由5节7.5 Ah的电芯并联组成，如图7所示。在本系统中，初级检测电阻RP和次级检测电阻RS设为4 mΩ，变压器匝数比为1∶1，IPEAK_PRI=IPEAK_SEC=12.5 A，单体数S=12，由式(1)、(4)得，IDISCHARGE_PRI=5.77 A，ICHARGE_SEC=0.48 A。

图7 均衡系统实验装置

实验前，先将电池组各单体进行不同程度的放电处理后静置5 h，测量各个电池单体的端电压，单体间电压差为433 mV，在均衡过程中测量并记录各单体的端电压，均衡13 h后单体间电压差为8 mV。实验结果表明，该均衡系统能够将单体电压差异控制在10 mV以内(图8)。

图8 均衡过程中各单体电压

对1号单体的充放电过程中的参数进行测量，得到如表1所示的数据。结果显示，能量传递效率达到90%以上，均衡电流达到设计值。

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4 结论

本文介绍的锂电池组均衡系统，基于双向结构的同步反激式变换器，克服了单向均衡系统均衡效率低和适用范围窄的不足。在设计时采用了模块化设计，可以方便地进行级联从而连接更多的电池。采用60节7.5 Ah锰酸锂电池串并联组成的电池包进行实验，实验结果表明本系统可以高效地实现双向主动均衡，均衡后单体压差小于10 mV，均衡效率达到90%以上，满足电动汽车等大容量电池包的应用需求。

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Design of equalization system for lithium battery pack based on flyback converter

LUO Wei-jun,ZHU Yu-yu,WU Li
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

For the application of high-capacity lithium battery pack in electric vehicles,the equalization system for lithium battery pack based on flyback converter was discussed and designed.The energy of cells in battery pack could be bidirectionally transformed through the control of MCU and driver circuit,and then the battery bidirectional balancing was realized with balancing strategy.After a test on a pack including 12 cells,the result shows the system is stable,flexible to use,high-efficient and has good performance in balancing current.

lithium battery pack;bidirectional equalization;flyback converter;BMS

TM 912

A

1002-087 X(2016)08-1594-03

2016-01-22

罗卫军(1990—)，男，四川省人，硕士，主要研究方向为传感器技术、仪器仪表。