基于反激同步整流技術(shù)的電池均衡裝置研究

于文斌，王聰慧，曹亞，單棟梁，孟凡提

(許繼電源有限公司，河南許昌461000)

基于反激同步整流技術(shù)的電池均衡裝置研究

于文斌，王聰慧，曹亞，單棟梁，孟凡提

(許繼電源有限公司，河南許昌461000)

電動汽車動力電池組單體電壓不一致會導(dǎo)致電池性能下降，壽命縮短。應(yīng)用同步整流技術(shù)，研制了一款動力電池均衡充電裝置，通過均衡裝置的快速充電，消除了單體性能差異對電池組的可靠性影響，降低了電動汽車的運(yùn)營及維護(hù)成本。實驗及實際應(yīng)用情況表明，該設(shè)計運(yùn)行可靠、各項指標(biāo)滿足要求，且成本較低，具有很強(qiáng)的市場競爭力。

電動汽車；同步整流；均衡裝置；動力電池

電動汽車以電代油，能夠?qū)崿F(xiàn)“零排放”與“低噪音”的效果，是解決能源和環(huán)境問題的重要手段。隨著石油資源的緊張和電池技術(shù)的發(fā)展，電動汽車在性能和經(jīng)濟(jì)性方面已經(jīng)接近甚至優(yōu)于傳統(tǒng)燃油汽車，并開始在世界范圍內(nèi)逐漸推廣應(yīng)用。以電動汽車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，這已經(jīng)成為普遍共識。

在電動汽車充電站應(yīng)用中，整組的鋰離子是由電池單體串并聯(lián)連接實現(xiàn)，因此必須考慮充電過程中各電池單體的失衡現(xiàn)象，而且隨著時間的推移，這種失衡現(xiàn)象會愈加嚴(yán)重，嚴(yán)重影響電池壽命和可靠性，因此均衡充電也是鋰離子充電的關(guān)鍵技術(shù)。均衡充電的意義就是使鋰離子電池單體電壓偏差保持在預(yù)期的范圍內(nèi)，從而保證每個單體電池在使用期間不受到過充或者過放導(dǎo)致電池組發(fā)生損壞。若不進(jìn)行均衡充電控制，隨著充放電循環(huán)的增加，各單電池電壓逐漸分化[1]。由于鋰電池自身價格昂貴，單體電壓較低，因此對充電電壓的穩(wěn)壓及紋波要求就比較高，尤其是穩(wěn)壓精度要求極高，要求空載到10 A時穩(wěn)壓精度0.2%以內(nèi)，也就是mV級的變化。

針對以上情況，利用反激同步整流技術(shù)，設(shè)計了一款模塊化的均衡裝置，單體模塊輸出為5 V，10 A，單體模塊可以任意組合以滿足不同系列動力電池組的均衡充電。

1 反激同步整流技術(shù)[2-4]

一般反激電源與反激同步整流技術(shù)原理框圖如圖1所示。兩者原理類似，在此不再詳細(xì)陳述，兩者不同之處在于如圖1(a)中副邊的肖特基二極管整流改為圖1(b)中的MOSFET，由于MOSFET通態(tài)損耗，因此采用同步整流技術(shù)是低電壓輸出電源模塊提高效率的最好方法，同步整流技術(shù)在正激電路中應(yīng)用較多，反激電路中應(yīng)用較少。本文運(yùn)用反激同步整流技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)要求。

反激同步整流技術(shù)中最關(guān)鍵的是同步整流管的驅(qū)動，反激電路中同步整流管的驅(qū)動方式分為自驅(qū)動和他驅(qū)動。自驅(qū)動直接由變壓器副邊繞組驅(qū)動或在主變壓器上加獨(dú)立驅(qū)動繞組使得電路簡單，自適應(yīng)能力強(qiáng)，但調(diào)試?yán)щy，在較寬輸入電壓范圍內(nèi)，波形需要附加限幅整形電路才能滿足驅(qū)動要求。他驅(qū)動方式有兩種：一種是采用專用副邊同步整流管驅(qū)動器；另一種采用原邊控制器輸出的驅(qū)動波形，經(jīng)邏輯轉(zhuǎn)換后驅(qū)動同步整流管。為減小原副邊的干擾，提高輸出精度，本方案采用前一種驅(qū)動方式。

圖1 反激同步整流原理圖

2 同步整流驅(qū)動

該設(shè)計中選用NIKO-SEM公司的同步整流控制器N3701V，具有集成度高，外圍輔助電路簡單，體積小等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)。具有以下特性：適合于各種拓?fù)潆娐返耐秸鳎籆CM和DCM自動檢測，不會產(chǎn)生任何的切換問題。更不會像其他IC在輕載突然進(jìn)入重載時會有燒MOSFET的問題，或者在空載出現(xiàn)不穩(wěn)定的情形；采用特殊的供電方式，不會對空載功耗起到任何的副作用；采用自有專利技術(shù)的檢測方式，不需要檢測波形的上升或下降沿，有效避免了波形異常時損壞MOS管的風(fēng)險；外圍線路簡潔，調(diào)試非常容易，成本也很平民化，調(diào)試量不大。

設(shè)計的驅(qū)動電路如圖2所示，圖2中N3701V的供電由變壓器的一路繞組提供，D14，Q8，R34，R35，Z3組成了驅(qū)動電路部分。

圖2 同步整流驅(qū)動電路

3 單板實驗結(jié)果及分析

反激同步整流單模塊設(shè)計要求：

輸入電壓：220 V±20%AC；

輸出電壓：0～5 V；

輸出電流：0～10 A；

開關(guān)頻率：65 kHz；

測試儀器使用為：數(shù)字示波器MSO4034；功率測試儀PM 3000A；數(shù)字萬用表Agilent34401A。實驗波形如圖3所示，其中CH1：VCC；CH2：Vds；CH3：Vgs。

圖3(a)中為同步整流管的驅(qū)動波形，開關(guān)頻率66 kHz；圖3(b)中為無負(fù)載斷續(xù)模式時的測試波形；圖3(c)為滿載模式下的測試波形，從圖3可見，關(guān)斷時刻，驅(qū)動波形CH3在關(guān)斷一段時間后，管子兩端才有應(yīng)力波形，很好的實現(xiàn)了軟關(guān)斷，對效率的提升有很大的幫助；圖3(d)中可見在MOS開通時刻也是零電壓開通。

4 均衡裝置及實驗結(jié)果

均衡裝置的系統(tǒng)框圖如圖4所示，單相交流電經(jīng)過AC/DC器整流變換輸出穩(wěn)定的直流電壓，母線電壓經(jīng)24路單獨(dú)的反激同步整流變換后，得到所需的直流輸出電壓，每一個小模塊對應(yīng)一個電池單體，在整體充電結(jié)束后，進(jìn)行電池均衡充電，直到各個單體電壓達(dá)到設(shè)定充電電壓。

圖3 實驗波形

圖4 均衡裝置的系統(tǒng)框圖

均衡充電控制策略如圖5所示，上位機(jī)每隔一定周期收

圖5 均衡控制流程

集一次單體電池的信息，均衡過程中可以根據(jù)電池不同規(guī)格及電池容量不同，選擇均衡電流的大小。

選取現(xiàn)在公交大巴應(yīng)用較多的磷酸鐵鋰電池。容量為電池為300 Ah，單體最高充電電壓3.65 V進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 均衡前后單體電壓比較

從圖6中可見使用均衡裝置后的單體電壓基本一致，效果明顯。未使用均衡充電前，充電策略是在整體電池中，任何一單體電壓達(dá)到上限電壓3.65 V即停止整個充電，導(dǎo)致各個單體的電壓偏差過大，出現(xiàn)上述出現(xiàn)的單體電壓嚴(yán)重不一致，而在放電過程中就會出現(xiàn)個別單體的過放，導(dǎo)致電池性能的下降及壽命的縮短。而均衡后的電壓就相差很小，單體間的差異小，整組電池的一致性好，大大提升了電池組性能。

5 結(jié)語

該款均衡裝置模塊化設(shè)計，體積小，均流精度高，均流時間短，無相互影響等優(yōu)點(diǎn)，且實現(xiàn)了同步整流管的軟開關(guān)。該系列產(chǎn)品在青島薛家島充換電站、天津海泰充換電站及南京醫(yī)科大學(xué)充換電站運(yùn)行兩年多來，運(yùn)行穩(wěn)定，事故率較低，得到了用戶廣泛好評，具有很強(qiáng)的市場競爭力。

[1]田銳，秦大同.電池均衡控制策略研究王[J]．重慶大學(xué)學(xué)報，2005，28(7)：1-4.

[2]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.

[3]張方華，嚴(yán)仰光.帶隔離變壓器的DC/DC變換器零電流轉(zhuǎn)換方案[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2003(6)：5-6.

[4]徐順剛，鐘其水.動力電池均衡充電控制策略研究[J]．電機(jī)與控制學(xué)報，2012，16(2)：62-65.

Research of battery equalizing device based on flyback synchronous rectification technology

YUWen-bin，WANG Cong-hui，CAO Ya，SHAN Dong-liang，MENG Fan-ti
(XJPowerCo.，Ltd.，Xuchang Henan 461000，China)

The voltage difference of electric vehicle power battery can cause the decline of battery performance and shorten service life.A power battery equalization charging device was developed by using synchronous rectification technology.The quick charge balancing device elim inates the im pact ofmonomer performance difference on the reliability of the battery pack and reduces the operation and maintenance cost of electric vehicles.Experiments and practicalapplication show that the design operates reliably，the indicators meet the requirements，the cost is low，and the design has very strongmarket competitiveness.

electric vehicle;synchronous rectification;balancing device;power battery

TM 912

A

1002-087 X(2016)07-1424-02

2015-12-02

于文斌(1967—)，男，河南省人，高級工程師，總經(jīng)理，主要研究方向為電動汽車充放電設(shè)備研究開發(fā)、充放電站設(shè)計工作。

單棟梁，lyzdh825@126.com