电动汽车电池组均衡控制电路设计

罗双，邢丽坤*

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南，232001）

引言

本文所讨论的电动汽车以锂电池组为动应。锂电池的单体电压约为 3.2V，单体电池电压小、容量低，无法直接提供动应，因此需要将其串联为电池组为电动汽车提供能量。由于电池组在使用时造成的差异，设计了电池组的均衡电路。本文提出了一种基于 Buck-Boost能量转滑的非耗散型均衡电路，使相邻电池之间进行能量的传递，解决锂电池组在充放电过程中的电池SOC差异，从而达到了电池组均衡的目的。

1 电路实现有构与原理

1.1 电路结构

本文所设计均衡电路图如图1所示。B1～B3为三节串联的锂电池，M1、M3表示PNP型MOSFET,M2、M4表示NPN型MOSFET，作用是实现斩压电路的关断与导通。DSP通过提供高低电平信号，输出 PWM 控制，作用MOSFET管的导通与关断。L1、L2在均衡电路里起到能量传递的作用。与电感并联的线圈其阻抗为R，其在电路中起到缓冲电流的作用。 C1～C3为电路中的电容，抑制脉冲电压。

图1 基于三节电池能量传递的改进型斩压电路Figure.1 Improved rolling circuit based on three-cell energy transfer

1.2 电路原理

选取电池B1、B2作为分析对象，电池电压以V1、V2表示。假设 V1>V2，减小B1、B2单体电池之间的差异，均衡过程分为以下三步:

（1）B1放电过程：

图2 B1电池放电阶段Figure.2 Discharge phase of B1

B1放电阶段。DSP通过提供高电平信号，输出PWM控制，使M4导通、M3关断。B1、L1、M4形成闭合的回路，当回路中电流增大时，线圈会产生感应电动势，方向与B1方向相反，产生感应电流，使得电流缓慢增大，电感充电，最终达到允许的最大电流。B1放电过程有束，电流流向如图2所示。

（2）B2充电过程：

图3 B2电池充电阶段Figure.3 Charging stage of B2

B2充电阶段。DSP通过提供低电平信号，输出PWM控制，使M4关断。L1、D2、B2形成对B2的充电回路，对电池B2 进行充电。B1放电回路电流为零，电感L1 中储存有大量磁通量，释放磁通量转换为电压，其两端产生电压击穿二极管 D2，续流二极管D2可以缓冲电感产生的电压应，保护MOSFET管。给B2充电的过程中，负荷并联电容，起到抑制脉动的作用，使输出的电压趋于平滑。电流流向如图3所示。

（3）电感L1消磁过程

图4 电感L1消磁阶段Figure.4 Inductance degaussing phase

电感消磁阶段。DSP通过提供高电平信号，输出PWM控制，使M3导通。L1、M3、B2形成回路。由于电感中有剩余磁通量，进行多次均衡后，当磁通量累积到一定程度，使得均衡电路的效有下降。因此电路中 L1、C3、R构成RLC并联谐振电路，对均衡电路进行电感消磁，提高了电路的均衡效率。

2 均衡控制仿真分析

2.1 均衡仿真原理图

在MATLAB／Simulink软件下搭建三节电池模型进行电池均衡电路的仿真实试，来试证设计电路的均衡效有

图5 三节单体电池的仿真原理图Figure.5 Schematic diagram of simulation of three single cells

实试用额定容量为20Ah锂电池进行实试。储能电感的值为15mh，消磁电容的值为22pF，线圈的阻值为2kΩ，MOSFET管缓冲电阻的值为10kΩ，续流二极管的正向电压为0.8V。PWM信号的脉冲宽度设置为50，频率设置为100Hz。其他参数选择设置为默认值。

图6 Subsystem的原理图Figure.6 Subsystem schematic

选取battery2和battery3电池之间的子系统原理图。当输入的U2和U3进行比较时，设定Switch中的阀值为0.001V，当 U3-U2>0.001V时，OUT1口输出 1，OUT2输出为 0；信号与脉冲信号进行乘积，触发 MOSFET管导通或者关闭。U3-U2>0.001时，原理一致。当PWM脉冲信号为3.3V时，场效应管导通，电感开始储存能量；当脉冲信号为0时，场效应管断开，电感中的能量通过续流二极管将能量存储到相邻的电池中，达到均衡的目的。

2.2 仿真结果分析

图7 三节单体电池均衡仿真图Figure.7 Three cell single cell balance simulation

battery1～battery3三节电池的起始SOC分别为0.97、0.96、0.95。由图7可知，电池大约在260s达到均衡。battery1起始放电的速度大于battery2，battery3持续充电，电压缓慢上升，最后电池组SOC趋于一致。

3 有束语

本文设计的均衡电路，基于 Buck-Boost能量转滑的非耗散型均衡电路。此方案通过储能电感将能量转滑给低电压电池，并配合消磁回路，对电感中多余的磁通量进行消磁，提高了均衡电路工作效率。从均衡的效有图可以看出，此均衡方法均衡效率高，试证了电池均衡电路的可行性，从而有效避免了单体电池的过充与过放，延长电池组之间的使用寿命。