基于单端反激式电路的单向非耗散性均衡系统研究

欧阳家俊+王海明+周卫成+王伟

（株洲中车时代电气股份有限公司 湖南株洲）

摘 要： 电动汽车等动态工况下，对均衡速度有一定要求。锂电池非耗散性均衡中，将电压高的单体电池中能量转移到电池模组是一种均衡速度较快的均衡方法。单端反激式电路采用变压器作为储能元件，可隔离原边和副边，可利用较少的绕组输出较高的电压。适合电池均衡中在低压单体和高压电池模组之间传递能量。本文基于单端反激式电路，设计了单向非耗散性均衡系统，将电能从单体电池转移到电池模组，减小了电能耗散，加快了均衡速度。

关键词： 锂电池；非耗散性均衡；单端反激式电路；电动汽车

引言

锂电池是高效、环保的储能装置，它将储存在其中的化学能转化为电能。近年来，锂电池在各个领域得到广泛应用，其制造工艺和应用技术的提高也受到广泛关注。

由于材料和工艺等方面的原因，单体电池会存在电压、容量、内阻等的差异，使得电池组在使用过程中受到容量最低的电池限制，从而降低了电能是使用效率，影响电池组的性能[1]。

本文基于单端反激式电路，设计了单向非耗散性均衡系统，将电能从单体电池转移到電池组，减小了电能耗散，加快了均衡速度。

1 单体锂电池电池差异

锂电池的差异主要表现为电池容量、荷电状态、内阻、自放电的不一致。充电过程中单体电池之间的电压差异在充电前期和末期比较明显，而中间差异较小，几乎重合。说明锂电池工作在平台期特性明显时，电压一致性较好，在充电首端和末端需要较大的均衡电流[2]。

即使是同一批生产的单体电池也存在容量、电压等性能的差异。在恶劣的工况下，电池组如果不加均衡，其差异性会增加，从而影响电池组的容量、寿命、安全性[3]。

2 单端反激式电路

如图1所示为单端反激式电路基本原理图，工作原理如下：当0

由单端反激式电路输入侧并联电池单体，输出侧并联电池模组，组成均衡系统，实时监测每一节单体电池的电压，当电池组中某一节电压高于电压平均值10mV，则导通与该电池的并联的反激式电路中开关管SW，将一部分能量转移到电池模组中。反激式电路工作在电流连续模式的临界状态。当0

将反激变换器配置在电流连续模式的临界状态，可以将单体电池转移给变压器的能量全部转移到电池模组和电容C，有利于提高均衡速度和能量转移效率；减小变压器励磁电感小，增加电流响应速度；减小开关导通时输出电压尖峰。

3. 均衡测试

本文采用16个10Ah的单体电池分为两组，每组8个电池，串联构成电池组A、电池组B，来验证均衡系统的效果。因为锂电池具有很强的电压平台特性，为使均衡效果更加明显，实验将单体电池设置为不同的初始SOC，每组中V1～V4电池的SOC设置为1，V5～V8电池的SOC设置为0.8。其中A组无均衡，B组有均衡。经过三次完全充放电实验，静置12个小时后，各单体电池UOC如图2所示。从图中可以看出，B组电池电压V1～V4电压比A组低，而V5～V8电压比A组高。即在有均衡时，电压较高的V1～V4电池，其电压相对于无均衡条件下减小；电压较低的电池相对无均衡条件下，其电压增加。说明B组在均衡条件下，将V1～V4中的能量转移到V5～V8。

4. 结论

均衡系统是电池模组非常重要的组成部分，能延长电池组的使用寿命，提高使用效率、增加安全性。本文从电池差异特性出发，基于单端反激式电路的优点，设计了将单体电池能量转移到高压电池模组的非耗散性均衡系统。实验结果表明，均衡系统能够有效的将能量从单体电池转移到电池模组。因此，基于单端反激式电路的单向非耗散性电池均衡电路对减小电池组单体不一致性、提高电池组性能具有重要作用。

参考文献

[1] 黄可龙， 王兆翔， 刘素琴. 锂离子电池原理与关键技术[M]. 北京： 化学工业出版社， 2008.

[2] 戴海峰， 王楠， 魏学哲， 等. 车用动力锂离子电池单体不一致性问题研究综述[J]. 汽车工程. 2014（02）： 181-188.

[3] 张宾， 林成涛， 陈全世. 电动汽车用LiFePO4/C锂离子蓄电池性能[J]. 电源技术. 2008（02）： 95-98.