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改进反激式开关电源的电池双向均衡系统
2018-09-17 18:53:39·
本文以电动汽车用锂离子电池组为研究对象，提出了主控MOS管和辅控MOS管的概念，从而达到改进反激式开关电源的电池双向均衡系统的目的，避免在电池均衡过程中各个回路电流流向混乱，最后进行了仿真分析与实验验证，表明了所改进的电池均衡系统是有效的。
1 均衡系统电路与工作远理
均衡电路作为均衡系统的“效应器”，是均衡变量的直接调控者，可以使均衡变量逐步趋于一致，以改善电池组不一致状况。均衡电路的灵敏性和有效性对均衡系统的好坏至关重要。
因此，本文提出了一种新型的均衡系统来改进电池双向均衡系统，结构示意图如图1所示。
图1 结构示意图
均衡电路的核心是单铁芯、多次级绕组的双向反激式DC/DC转换器，它的初级回路由金属-氧化物半导体场效应晶体管（metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transis -tor，MOSFET，也叫MOS管）与整个电池组组成，它的每一个次级回路中，均包含有一个单体电池、MOS管与电容，电池组中电池的数量即为转换器次级绕组的数量。常规双向均衡系统中，每个回路均只含有一个MOS管，本均衡电路中，每个回路设置两个MOS管，定义回路中控制能量从电池中输出的MOS管为主控MOS管，定义回路中控制能量输入电池的MOS管为辅控MOS管，两者在回路中同时作用，可以准确控制电流的流动方向。以下图2所在回路中的两个MOS管为例， Q1为主控MOS管，Q2为辅控MOS管。
图2 简单的单电池回路
当某一回路中两个MOS管的开关管均断开时，在两个MOS管的二极管的作用下，电流不可流入电池组或电池，也不可流出；当两个MOS管的开关管均闭合时，则该回路中电流可双向流动；当初级回路或某一次级回路中的主控MOS管的开关管闭合时，从电池组或电池的正极流出的电流将可通过主控MOS管的开关管与辅控MOS管的二极管，实现电流的单向流动；当辅控MOS管的开关管闭合时，将实现该回路中电流流入电池组或电池；在未实施均衡时，均衡电路中所有的MOS管均处于断开状态，各个回路中无电流流动。
在本均衡系统中，根据电池组一致性情况，均衡电路将采取两种均衡方式之一进行均衡：“削弱强电池”和“补偿弱电池”。
当实施“削弱强电池”的均衡方式时，状态监测模块实时监测各个电池的特征参数情况，信号处理模块判断出哪个是强电池，假如电池1是强电池，均衡电路将采取以下工作模式：
（1）闭合次级回路中主控MOS管Q1，电池1中有能量输出，经转换器的激励作用，初级线圈将储存一部分能量；
（2）断开次级回路中主控MOS管Q1，此时，初级绕组的极性为上负下正，闭合初级回路中辅控MOS管M2，MOS管M1中的二极管导通，使得储存的能量能够释放给整个电池组。
（3）断开初级回路中辅控MOS管M2，回到步骤（1），直至均衡结束。
同理，当实施“补偿强电池”的均衡方式时，假如电池1被判定为弱电池，则均衡电路采取的工作模式为：
（1）闭合初级回路中主控MOS管M1，整个电池组放电，电池1所在次级回路的线圈将储存一部分能量；
（2）断开初级回路中主控MOS管M1，闭合次级回路中辅控MOS管Q2，此时，储存的能量能够释放给电池1。
（3）断开次级回路中辅控MOS管Q2，回到步骤（1），直至均衡结束。
由于参与能量交互的两回路中，总是只有一个MOS管处于闭合状态，故而严格地控制了能量的流动方向，同时也实现了输出与输入能量的隔离。其余回路MOS管均一直处于断开状态，故其余回路无法实现电流流通，最大程度降低了电磁感应现象对其余回路的影响。
均衡电路通过控制MOS管开闭的时间及次序控制均衡实施的方式和效果。它的控制信号源自信号执行模块提供的PWM调节波，图3展示了当电池1被判断为强电池并采取“削弱强电池”均衡方法时，MOS管Q1和M2的脉冲信号情况。0～t1时间内，表现为电池1放电，t1～t2时间内，表现为整个电池组充电。0～t2时间即是一个充放电的循环周期。
1 均衡系统电路与工作远理
均衡电路作为均衡系统的“效应器”，是均衡变量的直接调控者，可以使均衡变量逐步趋于一致，以改善电池组不一致状况。均衡电路的灵敏性和有效性对均衡系统的好坏至关重要。
因此，本文提出了一种新型的均衡系统来改进电池双向均衡系统，结构示意图如图1所示。
图1 结构示意图
均衡电路的核心是单铁芯、多次级绕组的双向反激式DC/DC转换器，它的初级回路由金属-氧化物半导体场效应晶体管（metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transis -tor，MOSFET，也叫MOS管）与整个电池组组成，它的每一个次级回路中，均包含有一个单体电池、MOS管与电容，电池组中电池的数量即为转换器次级绕组的数量。常规双向均衡系统中，每个回路均只含有一个MOS管，本均衡电路中，每个回路设置两个MOS管，定义回路中控制能量从电池中输出的MOS管为主控MOS管，定义回路中控制能量输入电池的MOS管为辅控MOS管，两者在回路中同时作用，可以准确控制电流的流动方向。以下图2所在回路中的两个MOS管为例， Q1为主控MOS管，Q2为辅控MOS管。
图2 简单的单电池回路
当某一回路中两个MOS管的开关管均断开时，在两个MOS管的二极管的作用下，电流不可流入电池组或电池，也不可流出；当两个MOS管的开关管均闭合时，则该回路中电流可双向流动；当初级回路或某一次级回路中的主控MOS管的开关管闭合时，从电池组或电池的正极流出的电流将可通过主控MOS管的开关管与辅控MOS管的二极管，实现电流的单向流动；当辅控MOS管的开关管闭合时，将实现该回路中电流流入电池组或电池；在未实施均衡时，均衡电路中所有的MOS管均处于断开状态，各个回路中无电流流动。
在本均衡系统中，根据电池组一致性情况，均衡电路将采取两种均衡方式之一进行均衡：“削弱强电池”和“补偿弱电池”。
当实施“削弱强电池”的均衡方式时，状态监测模块实时监测各个电池的特征参数情况，信号处理模块判断出哪个是强电池，假如电池1是强电池，均衡电路将采取以下工作模式：
（1）闭合次级回路中主控MOS管Q1，电池1中有能量输出，经转换器的激励作用，初级线圈将储存一部分能量；
（2）断开次级回路中主控MOS管Q1，此时，初级绕组的极性为上负下正，闭合初级回路中辅控MOS管M2，MOS管M1中的二极管导通，使得储存的能量能够释放给整个电池组。
（3）断开初级回路中辅控MOS管M2，回到步骤（1），直至均衡结束。
同理，当实施“补偿强电池”的均衡方式时，假如电池1被判定为弱电池，则均衡电路采取的工作模式为：
（1）闭合初级回路中主控MOS管M1，整个电池组放电，电池1所在次级回路的线圈将储存一部分能量；
（2）断开初级回路中主控MOS管M1，闭合次级回路中辅控MOS管Q2，此时，储存的能量能够释放给电池1。
（3）断开次级回路中辅控MOS管Q2，回到步骤（1），直至均衡结束。
由于参与能量交互的两回路中，总是只有一个MOS管处于闭合状态，故而严格地控制了能量的流动方向，同时也实现了输出与输入能量的隔离。其余回路MOS管均一直处于断开状态，故其余回路无法实现电流流通，最大程度降低了电磁感应现象对其余回路的影响。
均衡电路通过控制MOS管开闭的时间及次序控制均衡实施的方式和效果。它的控制信号源自信号执行模块提供的PWM调节波，图3展示了当电池1被判断为强电池并采取“削弱强电池”均衡方法时，MOS管Q1和M2的脉冲信号情况。0～t1时间内，表现为电池1放电，t1～t2时间内，表现为整个电池组充电。0～t2时间即是一个充放电的循环周期。
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