一種用于鋰離子蓄電池組的主動均衡電路設計

趙旺彬 黃軍 陳海濤

(上海空間電源研究所，上海 200245)

鋰離子蓄電池因其具有的高比能量、高電壓、低的自放電率等優點，得到了越來越廣泛的應用，已成為在鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池以后的第三代空間儲能電源。由于鋰離子蓄電池組不能過充或過放，使用過程中若不進行均衡控制，隨著充放電循環次數增多，各電池單體電壓會出現分化，極大地縮減電池組的使用壽命[1-2]。因此，鋰離子蓄電池組在使用過程中，需要對各電池單體進行電壓均衡處理，均衡方式主要包括被動均衡和主動均衡。其中，被動均衡多采用電池單體并聯電阻進行分流，控制簡單，已廣泛用于空間鋰離子蓄電池組均衡，但隨著衛星所使用蓄電池組容量不斷增大，要求增大均衡電流，將給均衡電路散熱帶來問題[3-4]。主動均衡通過電容、電感等儲能元件實現能量從高壓單體往低壓單體或整組電池轉移，可實現大電流均衡，且能量損耗小，非常適合于衛星大容量鋰離子蓄電池組的均衡。常用的主動均衡電路包括電容均衡[5-6]、電感均衡[7]等。電容均衡隨著各個電池單體之間電壓差值的減小，均衡速度越來越慢，電感均衡需要能量的多次傳輸，并且均衡策略復雜。國外已經實現主動均衡在地球靜止軌道(GEO)和低地球軌道(LEO)衛星上應用[8]，國內也對空間用主動均衡技術進行了研究，文獻[2]和文獻[8]介紹了一種鋰離子電池非耗散型均衡方法，該方法控制簡單，通過變壓器實現均衡，但其均衡完后仍然存在10 mA左右的電池放電電流，不利于空間鋰離子蓄電池組長壽命管理要求，且每節電池均衡單元使用獨立變壓器，無法實現集成優化。考慮到空間鋰離子蓄電池組應用環境特殊，其均衡電路控制方式設計及元器件選用須考慮較多限制因素，客觀上增加了主動均衡電路設計難度。因此，衛星大容量鋰離子蓄電池組主動均衡技術引起了越來越多的關注。

綜上所述，為了解決大容量鋰離子蓄電池組均衡面臨的快速均衡、電路可靠設計等難題，本文提出基于多繞組DC/DC變換技術和金屬-氧化物-半導體場效管(MOSFET)的主動均衡電路，相比傳統被動均衡方法，可以實現更大電流均衡，且電路損耗更小，有利于均衡電路散熱設計并節省空間有限能量，從而確保衛星大容量鋰離子蓄電池組在軌安全工作。

1 多繞組變壓器主動均衡原理

為了實現大容量鋰離子蓄電池組單體之間的能量均衡，本文提出了一種基于多繞組DC/DC變換器的主動均衡電路，其特點在于利用多繞組變壓器反激變換原理，實現電池組和單體之間能量的轉移。圖1給出了基于多繞組DC/DC變換器的主動均衡原理，通過合理設計，應用多個DC/DC變換器單元可實現對鋰離子電池組能量的轉移。如圖1(a)所示，CELLn代表第n節單體電池，多繞組DC/DC變換器的一邊與6節電池分別連接，另一邊與相對應的12串聯電池組連接，其中一個變換器對應一個均衡模塊，每兩個相鄰的均衡模塊副邊有6節公用電池單體，實現鋰電池組所有均衡模塊的聯系。該均衡電路可以實現對不同模塊內的多個電池單體同時均衡，以及多個均衡模塊的級聯，從而方便蓄電池組更大規模串聯使用。所有的均衡模塊可以同時進行均衡，這對均衡速度要求高的大容量鋰離子蓄電池組非常有利。

圖1 主動均衡原理Fig.1 Active balance principle

如圖1(b)所示，多繞組DC/DC變換器設計成反激變壓器，Qn代表第n個開關管，D1為電路中串聯的二極管，T1為一個多繞組變壓器，CELL-n對應第n節電池的負極，CELL+n+1對應第n+1節電池的正極。定義連接電池單體一側為變壓器的原邊，連接電池組的一側為變壓器的副邊，變壓器原邊具有7個繞組，前6個繞組對應6節電池，測量端繞組用于進行均衡電流采樣反饋，實現均衡開關過流保護，某單體電池均衡過程中，當檢測到測量端繞組電流峰值過大時，關閉對應的MOSFET。變壓器副邊具有一個繞組，該繞組連接12節電池。定義上述多繞組DC/DC變換器為1個均衡模塊，且可通過多個多繞組反激變壓器串聯，從而實現對均衡蓄電池組串數擴展。圖1中，每個多繞組變壓器的副邊繞組都串聯了一個二極管，實現副邊繞組對整組電池組的充電續流。

大容量鋰離子電池組在充電過程中，如果中央處理器(CPU)檢測到某個電池單體的電壓大于均衡閾值，則CPU產生固定占空比的脈沖寬度調制(PWM)信號，控制并聯在該電池單體上的均衡變壓器的原邊開關電路中的開關，以固定占空比工作，等效均衡示意如圖2所示。以電池單體CELL1為例，開關管導通期間，電池單體CELL1對均衡變壓器原邊繞組放電，原邊勵磁電感存儲能量，圖2(a)中紅色線條表示單體電池CELL1放電電流流向；開關管關斷期間，均衡變壓器副邊繞組通過二極管續流給對應的鋰離子電池組(12節電池單體)充電，圖2(b)中紅色線條表示對電池組充電電流流向，如此循環，可以快速實現高電壓失衡單體的均衡。均衡電流波形如圖3所示，其中Ton為變壓器原邊導通時間，Toff為變壓器副邊導通時間，變壓器工作在斷續模式，可以通過調節占空比的大小控制最大均衡電流。

圖3中的Ton為8.57 μs，Toff為0.8 μs，變壓器原邊峰值電流Ipri-peak為10 A，變壓器副邊峰值電流Isec-peak為10 A。

圖2 均衡過程示意圖Fig.2 Balance process diagram

圖3 均衡變壓器原、副邊電流

2 多繞組變壓器主動均衡電路設計

基于多繞組DC/DC變換器主動均衡原理，考慮聯蓄電池組的單體電壓采樣、均衡策略控制、隔離驅動等功能單元，設計了圖4所示的主動均衡系統。在電池主動均衡過程中，模數轉換器(AD)采樣到每節電池電壓，所有數據在CPU中處理，CPU負責將電池電壓與均衡閾值進行檢測比較，根據均衡控制算法，產生相應的PWM驅動信號，驅動某節電池上并聯的MOSFET，直到所有電池電壓的差值在均衡閾值范圍內。

圖4 主動均衡系統圖Fig.4 Active balance system

均衡電路可以分為功率電路和控制電路，功率電路由電池組單元、均衡模塊組成，其中均衡模塊包含均衡變壓器、MOSFET、二極管，功率模塊可以實現擴展，每節電池通過開關管與蓄電池組串聯，采用固定占空比控制方式，實現對電池電壓偏大的電池單體放電。控制電路包括CPU控制單元、AD采樣單元，每節電池電壓信號經過一階低通濾波器進入到AD采樣中，所有電池單體電壓的AD采樣信號經過處理進入CPU，通過CPU內部的均衡算法實現電池組的均衡控制，開關管的開關周期與均衡變壓器電流峰值的關系如下。

(1)

式中：TS為開關周期，Ton為開關導通時間，Toff為開關關斷時間，Lpri為原邊勵磁電感，Ipri-peak為原邊電流峰值，Ubat為電池單體電壓，Lsec為副邊勵磁電感，Isec-peak為副邊峰值電流，Uoff為串聯電池單體的總電壓。

均衡變壓器設計是否合理關系到均衡系統的工作性能，因此要對變壓器參數進行合理設計。在電池組充電過程中，均衡系統一旦監測到某個單體電壓過高，即啟動對應均衡開關對其放電，可得到均衡變壓器初級側電池單體放電的平均電流為

(2)

式中：m為串聯的電池單體數目，k為變壓器原邊與副邊的匝數比。

同理能夠得到均衡變壓器副邊電池組充電平均電流為

(3)

對式(1)～(3)進行分析，可以得出：采用固定占空比控制方式，均衡平均電流只和變壓器原副邊匝數比、電池串數以及電流峰值有關。

根據上述物理量關系，結合任務實際要求可計算得到均衡變壓器的設計參數，從而為多繞組均衡變壓器的優化設計提供指導。通過固定占空比控制，最大占空比為50%，由于單個單體電池電壓工作范圍在3.6～4.2 V之間，因此能夠得到在最大單體電壓4.2 V下，變壓器工作在50%占空比下的均衡電流，該電流為主動均衡系統最大均衡電流。

主動均衡電路均衡開關驅動電路如圖5所示。圖5中選用了一節電池，說明它的驅動方式，其中VDD為控制電路的工作電源，主動均衡電路的均衡開關需要采用浮地驅動方式，且需要重點考慮滿足空間應用要求。為此，本文設計了圖騰柱加變壓器隔離的隔離驅動方式。圖5中，圖騰柱起到增大驅動電流的目的，同時采用了磁隔離的方式，該電路驅動的電路結構簡單，能夠滿足空間領域應用的要求。

圖5 主動均衡驅動示意圖Fig.5 Active balance drive diagram

3 仿真結果

為了驗證基于多繞組變壓器的充電均衡電路的均衡功能，基于Simulink仿真軟件搭建了3節鋰離子電池的充電均衡電路，Simulink軟件中自帶了電池仿真模型，設置3節電池單體的容量分別為1.2 Ah，3節電池標準電壓為3.6 V，分別設置3節電池單體的初始容量為20%、20%、80%，通過設置初始容量的不同來設置初始電壓的不同，給定固定占空比50%，開關頻率設置為100 kHz。

如圖6所示，通過Simulink仿真軟件搭建了電池均衡模塊，利用Simulink軟件中現有的電池模型，變壓器副邊繞組串聯二極管續流，采用了1個多繞組變壓器，該變壓器原邊3個繞組，副邊1個繞組，對最大電壓的電池單體放電，實現電池單體之間的平衡狀態。

注： C、C1、C2為電容，m為測量端。圖6 電池均衡模塊Simulink仿真Fig.6 Simulink for battery balance module

均衡電流波形如圖7所示，給定固定50%占空比信號，變壓器原邊電流峰值最大可達20 A，變壓器副邊電流峰值最大可達15 A，變壓器工作在斷續模式，分析圖7可以得出，該主動均衡方式能夠以較大的電流對電池組實現均衡功能，電池單體均衡電流平均值可達5 A以上。

如圖8所示，其中藍線表示2節電池較低電壓，初始容量為20%；黑線表示1節電池電壓，初始容量為80%。3節電池初始電壓最大相差100 mV以上，經過14 s左右的均衡過程，實現了3節電池電壓的平衡狀態，3節電池電壓相差很小，說明了該策略的可行性。

圖7 電池均衡電流波形圖Fig.7 Chart of battery balance current

圖8 3節電池電壓波形圖Fig.8 Three battery voltage waveform

4 結論

本文提出了一種可應用于衛星大容量鋰離子蓄電池組的主動均衡電路，該均衡電路基于多繞組的均衡變壓器設計，可實現鋰離子電池組充電過程中的快速均衡。采用固定占空比控制，可以簡化控制系統設計。新型均衡電路能夠實現模塊化設計并具備可擴展性。基于Simulink軟件進行了仿真分析，驗證了電路的基本原理和功能。需要注意的是該電路中每個均衡模塊同一時間只能有一節電池均衡，不同均衡模塊之間可以同時均衡，每兩個相鄰均衡模塊之間副邊有6節公用電池，實現不同模塊之間能量的轉移，可以得到基于多繞組變壓器的均衡系統優勢如下。

(1)主動均衡方式降低了均衡損耗，提高了均衡速度(均衡電流可達5 A以上)，可更好滿足大容量鋰離子蓄電池組的均衡要求。

(2)均衡變壓器采用了多繞組變壓器，工作頻率設計為100 kHz以上，有利于均衡電路高集成、輕量化設計。

(3)采用固定占空比的控制方式，控制策略簡單，有利于滿足衛星大容量鋰離子蓄電池組均衡電路對可靠性設計的要求。