英语原文共 10 页

用于HEV中串联锂离子电池组的变压器并联一次绕组的单独电池均衡器

Chol-Ho Kim，Hong-Sun Park，Chong-Eun Kim，Gun-Woo Moon和Joong-Hui Lee

韩国Deajeon，KAIST电气工程与计算机科学系 韩国SK科技大学

摘要

本文提出了一种带并联的初级绕组变压器的电池电荷均衡器。尽管每个电池单元与其充电状态（SOC）相比具有低电压间隙，但所提出的工作有效地平衡了锂离子电池单元之间的电压。所提出的工作的原理是来自电池组的均衡能量通过由相应的固态继电器开关控制的隔离dc / dc转换器转移到最低电压的电池。本研究对四种锂离子电池的原型进行了优化设计和实现，实验结果表明该方法具有良好的电池平衡性能。

关键词：混合动力汽车（HEV），电荷均衡，锂离子电池

1. 引言

近来，混合动力电动车辆（HEV）已经成为满足节能和环保要求的流行车辆，因为HEV已经将电池用作替代电源^[1]。在HEV中，过去浪费的车轮能量将电能转换为电池能量，然后从电池中再次使用以低速推进车辆或提高在高加速中所需的额外功率。此外，电池作为电源，在使用过程中没有二氧化碳的排放。因此，在HEV，应用电池电源是主要优点之一，在汽车市场中具有长寿命的电池是有利可图的。

目前，多种电池在HEV中的作为备用电源已经被广泛讨论。其中，镍金属混合（Ni-MH）电池在目前的HEV中最多^[1]。锂离子电池的最新发展和测试结果表明，与镍氢电池相比，锂离子电池具有更高的功率，更高的能量密度，更低的自放电率和更高的单体电压，以至于未来在混合动力汽车中，锂离子电池有可能取代镍氢电池 ^[2]。但是，要实现这种可能性，可靠性和安全需首先确保。换句话说，锂离子电池应保持在允许的电压和电流限制范围内，以防止特性永久性恶化，并防止在最坏的情况下，引起车辆爆炸或起火 ^{[1], [2]}。

在HEV中，串联电池组通常达到一个高电压以实现驱动电动机。然而，反复的电池充放电会导致电池单元之间的电荷不平衡。与此现象相关的问题是电荷不平衡将降低电池的总存储容量和整个寿命周期 ^[3]。因此，为了避免可能的风险并延长电池寿命周期，锂离子电池组的均衡方法是HEV中的重要需求。

串联电池串的电荷均衡方法已在文献 [3]-[18]中提出。其中之一是能量耗散方法，例如电阻性电流分流器 ^{[4], [5]}。由电阻和有源开关组成的电阻性电流分流器并联连接在每个电池单元上，如图1所示。由于其实现简单，这种耗散方法对于要平衡电池单元之间的电荷显得很有吸引力。然而，与其他均衡电路相比，能量耗散和长均衡时间是该电路的关键缺点。由于这个原因，不太推荐这种电池平衡方案用于诸如HEV的高功率系统的电荷均衡。

为了获得更有效的电荷平衡，文献[6]-[17]提出了非耗散方法，例如无损电荷均衡方法。通常，非耗散电荷均衡方案分为三类：充电型，放电型和充放电型。充电型均衡方案适用于少数充电不足的电池^[6]-[9]，放电型则适用于少数过充电

的电池^[10]-[12]。双向电荷均衡方案兼具二者的特点;充放电型 ^[13]-[15]。在这些均衡方案中，如果充电不足的电池频繁出现在电池组中，则充电型方案在HEV中是有吸引力的。

充电型电池均衡转换器可以分为两种类型，如图2所示，其中主要考虑电池平衡电路的控制方案。在图2（a） ^{[6], [7]}所示的基于集中控制的均衡中，电池组中的每个单元与相应的次级绕组并联耦合，并且所有次级绕组在单个公共初级绕组处实现。在这种基于集中控制的均衡方案中，只有初级侧的单个电源开关在脉冲宽度调制（PWM）模式下被控制，以自动实现电荷均衡。这种基于集中控制的电池平衡电路具有控制器结构简单的优点，但由于不平衡元件出现在变压器的次级绕组，因此在电池数量大的情况下不能展示出良好的均衡性能。具体地说，由于失配变压器之间的寄生漏电感，均衡性能受到限制。而且，从实现的角度来看，在单个公共初级绕组中建立大量等于电池单元数量的次级绕组并不容易。

为了改善基于集中控制的均衡方案的小区平衡性能，讨论了基于小区控制的均衡方案，如图2（b）所示 ^[8]-[9]。与基于集中控制的方案相比，基于单元控制的方案在变压器的所有次级侧采用外部开关来有效地控制均衡电流;也就是说，这些外部开关可以控制电池平衡电流，以选择性地对特定的充电不足的电池充电。该控制方案的主要优点是获得高质量的电池平衡性能，尤其锂离子电池。然而，与基于集中控制的方案一样，由于只有一个共同的初级绕组，它仍然存在大量电池的实现问题。

图1.电阻电流分流器

2.1 电路描述

图3展现了所提出的具有并联的变压器初级绕组的电荷均衡电路。在该电路中，每个单元都有各自的反激式DC / DC转换器。反激式DC / DC转换器并联连接到输出级中的每个电池，并且输入级耦合在一起以串联电压。固态继电器S1~Sn-与变压器的初级绕组串联，如图3所示。

2.2操作原则

（a）基于集中控制 （b）基于电池单元控制

图2 电荷型单元均衡转换器

此外，由于变压器次级侧的开关电流额定值高于初级侧的开关，因此变压器次级侧的外部开关在其应用中受到限制。

直接应用于HEV的锂离子电池均衡，与以前的平衡方案不同，电荷均衡方法要求具有优异的电池平衡，简单的控制以及实现。为了满足这些要求，本文提出了一种带并联的变压器初级绕组的电荷均衡转换器。工作的原理是来自所有电池组的均衡能量通过由相应的双向开关控制的隔离DC / DC转换器移动到最低电压电池。

在所提出的电路中，通过使用固态继电器开关，即使在锂离子电池串中的过充电和未充电电池之间的低电压间隙处也增强了电荷均衡的能力，并且总均衡时间减少。此外，所提出的电路可以容易地用每个磁芯单独实现。

2. 提出的电荷均衡转换器

本文采用该方法对四个锂离子电池单元进行了优化设计和实现，实验结果表明该方法具有良好的电池平衡性能。

在所提出的电荷均衡器中，通过将从整个电池串中提取的均衡电流传送到充电不足的电池来存档电荷平衡。为了实现该过程，所提出的均衡器采用具有电压感测电路的电池管理系统(BMS）。电池管理系统（BMS）始终监控串中每个电池的充电状态（SOC）。

电路操作类似于传统的反激式DC / DC转换器，其中反激式DC / DC转换器通过固态继电器开关Sn在所选电池单元上单独工作。详细地说，通过BMS的集中控制，以固定的占空比驱动反激式DC / DC 转换器。继电器开关控制信号也由BMS获取，BMS检查最低电压电池并选择相应的继电器开关。

图3提出的电荷均衡转换器

2.3模态分析

所提出的均衡电路根据初级单个MOSFET和次级二极管的开关状态以两种模式操作。操作模式和关键波形分别如图4和图5所示。在开始模式1之前，假设只有最后一个单元Bn充电不足。

模式1（t0-t1）：模式1在Q导通时开始，其中S1~Sn-1截止，Sn 导通。在该模式中，第N个单元的初级电流IkgN累积，如图4（a）所示。

^ 模式2（t1-t2）：模式2在Q关闭时开始，如图4（b）所示。在模式2中，相应的整流二极管Dn导通，使得磁化电流流入Bn。

它类似于传统的反激式转换器操作。通过该过程，均衡电流可以有效地传递到最低电压电池。

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