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摘要：阐述锂电池组不一致性反映在不同特性参数（电压、内阻、SOC）上的表现形式，选取基于反激式变压器的能量非耗散型均衡拓扑结构，对该拓扑结构进行了参数设计，搭建均衡电路仿真模型，进行仿真调试及结构改进，确定在“削峰”和“填谷”两种模式下的电路控制参数。在Matlab环境下对均衡控制策略进行仿真验证，结果表明，该均衡电路和控制策略能够实现快速均衡且可行有效。
关键词：不一致性；反激式变压器；均衡拓扑；Matlab；控制策略
1 引言
单体电池性能的差异会导致电池组出现不一致性现象，而电池组的不一致性会造成电池组使用性能的下降[1-3]。锂电池组个体差异性导致实际功率无法达到额定功率，单体电池不一致性使整个电池组性能衰减，因此有效的均衡控制电路非常必要[4]。Chang-Soon Lim提出基于模糊控制理论的电流平衡控制方法，在一定条件下可以减少均衡时间，但无法用于纯电动车的实际操作[5]。重庆大学设计了一种非线性PID均衡控制算法，PID调节器的增益参数能够控制均衡误差，并具有较强的鲁棒性和动态响应[6]。目前，众多学者提出了一种基于SOC的均衡控制方法，并验证其平衡效果[7-9]。温州大学叶圣双提出将单体电池SOC作为平衡参数，结合模糊控制算法建立新的平衡模型和控制策略，该方法能够取得较好的平衡效果，但是没有考虑锂电池充放电电压平台问题[10]。本文以电压作为平衡控制变量，结合反激式变压器均衡电路拓扑结构，建立变压器均衡算法和matlab仿真模型，并对串联锂电池组进行仿真研究。结果表明，基于反激式变压器和电压变量控制的串联均衡方案，较好地改善充电过程中的不一致性。
2 基于反激式变压器均衡电路设计
本文设计基于反激式变压器的均衡电路拓扑结构，系统由5部分组成：（1）4个单体电池标记为B1，B2，B3，B4，串联组成电池组；（2）4个双向反激变换器标记为T1，T2，T3，T4，用于电池能量的双向传输；（3）8个输入MOSFET开关标记为G1P/G1S，G2P/G2S，G3P/G3S，G4P/G4S。8个MOSFET开关的栅极连接均衡控制器的输入口P0-P7；（4）电压检测器选择芯片LTC2942，其输入端口连接单体电池的正负极，用于记录单体电池电压信息，标记为V1，V2，V3，V4。（5）8个输出MOSET开关标记为S1P/S1S，S2P/S2S，S3P/S3S，S4P/S4S。8个MOSFET开关的栅极连接总控制芯片的输入端口P0-P7。
3 充电均衡电路
本文根据DCM工作模型设计充电均衡电路工作过程说明如下：（1）充电工作阶段开始于开关G1S打开，B1充电；（2）T1上的电流LSEC1曲线上升到最大值，最大值电流用IPEAX_SEC标识；（3）G1S关闭，同时G1P打开，整个串联电池组的电能传递到单体B1上，产生T1上主电流IPRN的曲线下降过程；（4）第一个同步开关转向最大角度，最终达到Ipp1=0，所用时间为TD_PRI；（5）當Iprn=0时，G1P关闭，同时G2S打开，返回步骤（1），进入下一个充电均衡和自校正循环过程。
4 实验结果
本文设计充电均衡实验，采用充电电流为60A的恒流电流源作为整个仿真系统的输入来模拟电池组在恒流的情况下的充电过程，设定截止电压为3.75v，以电池组任意一节单体电池到达截止电压为仿真节点。选取任意初始状态作为电池组开始进行试验，校验均衡前后电池组可充入电量和电压极差的变化，实验共进行三次充电过程，最后均衡充电结束以后得到各个单体电池之间的电压极差控制在4mv以内，未加入均衡时的电压极差达到204mv。实验表明，本文设计的反激式变压器均衡电路可以改善式电池组不一致性，各个单体电池的电压和SOC值趋于一致，该均衡方案理论和仿真结果表明是有效的。
5 结论
本文以串联电池组为研究对象，以改善电池组的不一致性为研究目的，着重对拓扑结构进行设计，对均衡控制策略进行研究和仿真，得以下结论：
（1）分析了电池组不致性产生的原因，电池组不致性反映在不同特性参数上的表现形式，以SOC作为均衡变量虽然可以从本质上改善电池组的不一致性，但由于系统无法保证SOC估算精度和实时性的要求，最终确定以电压作为电池组在不同工作状态下的均衡变量
（2）选取反激式变压器型能量非耗散式均衡拓扑结构，并对对该均衡拓扑结构进行参数设计，电路仿真优化结构参数，改进电路结构，确定“削峰”、“填谷”两种模式下的均衡控制参数。仿真结果表明，改进后的均衡拓扑结构不仅可实现能量的双向流动，还可回收利用或耗散漏感中的能量，避免发生磁饱和。
（3）提出了充电均衡的策略，在充电末期当电池组单体电池电压最大值达到充电截止山电压压时，系统停止充电进行均衡，当电池组电压极差小于当前设定值时，则再次充电，重复上述过程直至电池组各单体电压达到一致或均衡充电次数达到设定值。
参考文献
[1]李广地，吕浩华，袁军，等.动力锂电池的寿命研究综述[J].电源技术，2016，40（6）：1312-1314.
[2]韩冰，邵如平，王贤东.纯电动汽车非车载充电机充电模块的研究[J]，科技通报，2018，1：227-231.
[3]郭军，刘和平等.纯电动汽车动力锂电池均衡充电的研究[J]. 电源技术，2012，136（4）：479-482.
[4]张好明，孙玉坤，庄淑瑾.基于TL431的锂电池均衡电路的研究[J].电子技术应用，2017，9：144-146.
[5]Chang-Soon Lim，Kui-Jun Lee， Nam-Joon Ku，et al. A Modularized Equalization Method Based on a Magnetizing Energy for Series-Connected Lithium-Ion Battery String [J].IEEE Transactions On Power Electronics （S0885-8993）， 2014，29（4）： 1791-1799.
[6]凌睿，董燕等. 基于非线性PID的串联锂离子电池组的均衡控制[J].计算机工程与应用，2013， 49（13）： 237-240.
[7]Thanh Phung，Alexandre Collet，Jean-Christophe Crebier.An Optimized Topology for Next-to-Next Balancing of Series-Connected Lithium-ion Cells[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics （S0278-0046），2014，29（9）：4603-4613.
[8]宋绍剑等.基于SOC的锂动力电池组双向主动均衡控制[J].系统仿真学报，2017，29（3）：609-616.
[9]刘胜永等.基于SOC的锂电池组能量均衡控制策略研究[J].电源技术，2017，41（12）：1712-1717.
[10]叶圣双.电动汽车锂电池组均衡控制研究[D].温州大学，2017.3.
作者简介：汪秋婷（1982-），女，博士，副教授，主要研究方向为自动控制、数字信号处理和锂动力电池管理系统。
*基金项目：浙江省公益性技术应用研究计划项目（2015C33225），浙江省自然科学基金（LQ16F010004），杭州市科技计划（20160432B27）
关键词：不一致性；反激式变压器；均衡拓扑；Matlab；控制策略
1 引言
单体电池性能的差异会导致电池组出现不一致性现象，而电池组的不一致性会造成电池组使用性能的下降[1-3]。锂电池组个体差异性导致实际功率无法达到额定功率，单体电池不一致性使整个电池组性能衰减，因此有效的均衡控制电路非常必要[4]。Chang-Soon Lim提出基于模糊控制理论的电流平衡控制方法，在一定条件下可以减少均衡时间，但无法用于纯电动车的实际操作[5]。重庆大学设计了一种非线性PID均衡控制算法，PID调节器的增益参数能够控制均衡误差，并具有较强的鲁棒性和动态响应[6]。目前，众多学者提出了一种基于SOC的均衡控制方法，并验证其平衡效果[7-9]。温州大学叶圣双提出将单体电池SOC作为平衡参数，结合模糊控制算法建立新的平衡模型和控制策略，该方法能够取得较好的平衡效果，但是没有考虑锂电池充放电电压平台问题[10]。本文以电压作为平衡控制变量，结合反激式变压器均衡电路拓扑结构，建立变压器均衡算法和matlab仿真模型，并对串联锂电池组进行仿真研究。结果表明，基于反激式变压器和电压变量控制的串联均衡方案，较好地改善充电过程中的不一致性。
2 基于反激式变压器均衡电路设计
本文设计基于反激式变压器的均衡电路拓扑结构，系统由5部分组成：（1）4个单体电池标记为B1，B2，B3，B4，串联组成电池组；（2）4个双向反激变换器标记为T1，T2，T3，T4，用于电池能量的双向传输；（3）8个输入MOSFET开关标记为G1P/G1S，G2P/G2S，G3P/G3S，G4P/G4S。8个MOSFET开关的栅极连接均衡控制器的输入口P0-P7；（4）电压检测器选择芯片LTC2942，其输入端口连接单体电池的正负极，用于记录单体电池电压信息，标记为V1，V2，V3，V4。（5）8个输出MOSET开关标记为S1P/S1S，S2P/S2S，S3P/S3S，S4P/S4S。8个MOSFET开关的栅极连接总控制芯片的输入端口P0-P7。
3 充电均衡电路
本文根据DCM工作模型设计充电均衡电路工作过程说明如下：（1）充电工作阶段开始于开关G1S打开，B1充电；（2）T1上的电流LSEC1曲线上升到最大值，最大值电流用IPEAX_SEC标识；（3）G1S关闭，同时G1P打开，整个串联电池组的电能传递到单体B1上，产生T1上主电流IPRN的曲线下降过程；（4）第一个同步开关转向最大角度，最终达到Ipp1=0，所用时间为TD_PRI；（5）當Iprn=0时，G1P关闭，同时G2S打开，返回步骤（1），进入下一个充电均衡和自校正循环过程。
4 实验结果
本文设计充电均衡实验，采用充电电流为60A的恒流电流源作为整个仿真系统的输入来模拟电池组在恒流的情况下的充电过程，设定截止电压为3.75v，以电池组任意一节单体电池到达截止电压为仿真节点。选取任意初始状态作为电池组开始进行试验，校验均衡前后电池组可充入电量和电压极差的变化，实验共进行三次充电过程，最后均衡充电结束以后得到各个单体电池之间的电压极差控制在4mv以内，未加入均衡时的电压极差达到204mv。实验表明，本文设计的反激式变压器均衡电路可以改善式电池组不一致性，各个单体电池的电压和SOC值趋于一致，该均衡方案理论和仿真结果表明是有效的。
5 结论
本文以串联电池组为研究对象，以改善电池组的不一致性为研究目的，着重对拓扑结构进行设计，对均衡控制策略进行研究和仿真，得以下结论：
（1）分析了电池组不致性产生的原因，电池组不致性反映在不同特性参数上的表现形式，以SOC作为均衡变量虽然可以从本质上改善电池组的不一致性，但由于系统无法保证SOC估算精度和实时性的要求，最终确定以电压作为电池组在不同工作状态下的均衡变量
（2）选取反激式变压器型能量非耗散式均衡拓扑结构，并对对该均衡拓扑结构进行参数设计，电路仿真优化结构参数，改进电路结构，确定“削峰”、“填谷”两种模式下的均衡控制参数。仿真结果表明，改进后的均衡拓扑结构不仅可实现能量的双向流动，还可回收利用或耗散漏感中的能量，避免发生磁饱和。
（3）提出了充电均衡的策略，在充电末期当电池组单体电池电压最大值达到充电截止山电压压时，系统停止充电进行均衡，当电池组电压极差小于当前设定值时，则再次充电，重复上述过程直至电池组各单体电压达到一致或均衡充电次数达到设定值。
参考文献
[1]李广地，吕浩华，袁军，等.动力锂电池的寿命研究综述[J].电源技术，2016，40（6）：1312-1314.
[2]韩冰，邵如平，王贤东.纯电动汽车非车载充电机充电模块的研究[J]，科技通报，2018，1：227-231.
[3]郭军，刘和平等.纯电动汽车动力锂电池均衡充电的研究[J]. 电源技术，2012，136（4）：479-482.
[4]张好明，孙玉坤，庄淑瑾.基于TL431的锂电池均衡电路的研究[J].电子技术应用，2017，9：144-146.
[5]Chang-Soon Lim，Kui-Jun Lee， Nam-Joon Ku，et al. A Modularized Equalization Method Based on a Magnetizing Energy for Series-Connected Lithium-Ion Battery String [J].IEEE Transactions On Power Electronics （S0885-8993）， 2014，29（4）： 1791-1799.
[6]凌睿，董燕等. 基于非线性PID的串联锂离子电池组的均衡控制[J].计算机工程与应用，2013， 49（13）： 237-240.
[7]Thanh Phung，Alexandre Collet，Jean-Christophe Crebier.An Optimized Topology for Next-to-Next Balancing of Series-Connected Lithium-ion Cells[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics （S0278-0046），2014，29（9）：4603-4613.
[8]宋绍剑等.基于SOC的锂动力电池组双向主动均衡控制[J].系统仿真学报，2017，29（3）：609-616.
[9]刘胜永等.基于SOC的锂电池组能量均衡控制策略研究[J].电源技术，2017，41（12）：1712-1717.
[10]叶圣双.电动汽车锂电池组均衡控制研究[D].温州大学，2017.3.
作者简介：汪秋婷（1982-），女，博士，副教授，主要研究方向为自动控制、数字信号处理和锂动力电池管理系统。
*基金项目：浙江省公益性技术应用研究计划项目（2015C33225），浙江省自然科学基金（LQ16F010004），杭州市科技计划（20160432B27）