基于CUK雙向變換器的串聯電池均壓法

何俊儒，王洪誠，方余丞，王海唐（. 西南石油大學機電工程學院，四川 成都 60500；. 西南石油大學電氣信息學院，四川 成都 60500）

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基于CUK雙向變換器的串聯電池均壓法

何俊儒1，王洪誠2，方余丞1，王海唐2
（1. 西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500；2. 西南石油大學電氣信息學院，四川 成都 610500）

摘要：本文研究了一種采用 CUK 變換器拓撲結構實現相鄰兩串聯電池間能量轉移的非隔離型分布式變換器均衡電壓法。文章介紹了均壓電路的工作原理，進行了理論分析，同時采用電壓反饋和電流反饋雙閉環控制的均衡方案，在 MATLAB/Simulink 中建立了該均壓電路的仿真模型，給出了仿真結果和實驗結果。結果驗證了該種方法的可行性。

關鍵詞：CUK變換器；能量轉移；均壓電路；動力電池；雙閉環控制；電流紋波；電壓脈動

0 引言

動力電池組作為電動汽車的重要組成部分，對電動汽車的安全運行起著至關重要的作用。目前，大部分的動力電池組一般采用串聯的方式。而在串聯組合應用中，各單體電池由于在內阻、初始容量以及自放電率等方面往往存在差異，使得電池間也表現出不同的充放電特性，并且這種不一致現象還會因多次的充放電循環而不斷擴大，進而導致整組電池容量、輸出功率減小，電池利用率下降[1]。針對這一問題，如果不及時采取有效的措施，將導致電池發生過充電和過放電現象，不僅會對電池本身造成損壞，而且還會導致電池因產生熱量過度而引起燃燒甚至于爆炸，嚴重威脅著電動汽車的安全運行。因此，運用適當的均衡方法來補償電池間的不一致性從而杜絕這一安全隱患是相當必要的。

本文以蓄電池作為主要研究對象，研究了一種非隔離型的分布式變換器均衡電壓法。在串聯電池間加入一個 CUK 雙向變換器[2]，利用電壓反饋和電流反饋的雙閉環控制方案，控制 CUK 變換器將高電壓電池的能量轉移到低電壓電池中。這種方法的優點在于能量損耗低，電壓均衡速度快，并且在均衡電路的輸入和輸出端均有電感，能有效地緩解輸入輸出電流紋波和電池間的干擾。仿真和實驗結果表明，該均壓方法能快速有效地均衡電池電壓，使電池間的電壓差收斂至零。

1 電池模型

目前，雖然電池種類多種多樣，但是所有電池都可以用通用模型來表示[3]。本文采用的電池模型為 Thevenin 等效電路模型，如圖 1 所示。該模型由歐姆電阻 R0、極化電阻 R1和極化電容 C1組成，其中，VSOC(t) 和 V0(t) 分別表示不同時間下電池的開路電壓和端電壓。該模型考慮了電池電壓在充放電流激勵下的突變性和漸變性特點，由 R0來等效模擬電壓突變的電阻特性，由 R1和 C1組成慣性 RC環節對應電壓的漸變特性[4]。此外，為了使建模簡化，將不考慮溫度和電流內阻等的影響。

圖 1 電池的 Thevenin 模型

2 CUK變換器[5]

CUK 變換器又稱 Boost-Buck 串聯變換器，是一種升降壓變換器，可以提供一個反極性、不隔離的輸出電壓。輸出電壓可高于或低于輸入電壓，并且其大小主要決定于開關 T 的占空比?；驹O計思想是：電路的第一級是 Buck，第二級是 Boost，Buck 的輸出為 Boost 的輸入，原理如圖 2 所示。該電路只有一個開關，控制簡單，導通比可大于也可小于 0.5，在輸入和輸出之間由一個電容傳送能量，有利于減少體積，提高功率密度。在輸入和輸出端均有電感，從而有效地減少了輸入和輸出電流的脈動，輸入和輸出電流連續，開關電流被限制在變換器內部，因此產生的輸出紋波和電磁干擾比較小。這里采用 CUK 變換器，通過控制開關管的導通截止，由中間電容傳遞能量，將電池電壓高的一端的能量向電壓低的一端傳遞，直至兩電池電壓均達到某特定值，實現電池均壓的目的。

圖 2 CUK 變換器原理圖

3 CUK 變換器均壓電路工作原理

CUK 雙向變換器均壓電路原理如圖 3 所示，其中，B1、B2為蓄電池，L1、L2為儲能電感，T1、T2為開關功率管，D1、D2為續流二極管，C 為傳輸能量的耦合電容。

圖 3 CUK 雙向變換器均壓電路原理圖

圖 3 中，電路的均壓過程主要分為兩個狀態，即電池兩端電壓值 VB1>VB2和 VB1VB2狀態為例分析如下[5]。

設開關管 T1、T2和二極管 D1、D2都是理想元件，導通時壓降為 0，截止時漏電流為 0。電感和電容都為理想元件，其值足夠大，使得電壓的脈動很小，電壓輸出為線性。

在狀態 VB1>VB2下，開關管 T1和二極管 D2處于工作狀態，其等效電路如圖 4 所示。其中，電池B1、B2的內阻分別為 r1、r2。

圖 4 VB1>VB2狀態下的等效電路

當開關管 T1導通時，等效電路如圖 5 所示。電池 B1與電感 L2形成回路，電池 B1對電感 L1進行充電，電容 C 與電池 B2、電感 L2形成回路；電容 C 對電池 B2、電感 L2放電。當電池 B1對電感L1充電時，流過電感 L1的電流 IL1線性上升，因此得到：

當電容 C 對電池 B2、電感 L2放電時，流過電感 L2的電流 IL2線性上升，因此得到：

圖 5 T1導通的等效電路

當開關管 T1截止時，其等效電路如圖 6 所示，二極管 D2正向導通。電池 B1與電感 L1、電容C 形成閉合回路，電感 L1經二極管 D2續流對電容C 充電；電感 L2與電池 B2形成閉合回路，電感 L2經二極管 D2續流向電池 B2充電。當電感 L1對電容 C 充電時，經電感 L1的電流 IL1線性減少，因此得到：

電流 IL1的減少量為：

當電感 L2對電池 B2充電時，流過電感的電流IL2線性減少，因此得到：

電流 IL2的減少量為：

圖 6 T1截止的等效電路

設開關管 T1導通時間為 ton1，關斷時間為toff1，通斷周期為 ts1=ton1+toff1，其中 D=ton1/ts1。穩態運行時，在一個通斷周期 ts1中，IL1的增量 △IL1+等于其減少量 △IL1-，IL2的增量 △IL2+等于其減少量 △IL2-，聯立式（2）和（4）、式（6）和（8）可得：

消去 VC可得到電池 B1和電池 B2的能量轉移關系：

由以上推導過程可知：兩電池的電壓在達到均衡過程中，電池 B1放電，能量減少；相應地電池B2充電，能量增加。而在一個開關周期 ts1中，電感 L1、L2的電流增量為 0，磁鏈增量為 0，電感兩端電壓的平均值為 0，所以在整個能量的轉移過程中，電池 B1減少的能量等于電池 B2增加的能量。同理分析可推導出 VB1

4 建模仿真與實驗結果

在 MATLAB/Simulink 中建立上述 CUK 雙向變換器均壓電路的仿真模型[6-7]，如圖 7 所示。該均壓電路仿真模型主要由電池模型 B1和 B2、開關管MOSFET、電感、電容、電力二極管以及閉環控制組成[8]。

圖 7 均壓電路仿真模型

該仿真模型中閉環控制如圖 8 所示。閉環控制采用電壓反饋和電流反饋雙閉環控制，電流內環的作用是實現電荷的移動，電壓外環則以電池的電壓差作為變量加以控制，通過電壓控制器產生電流內環的雙向電流參考值。電流控制器輸出產生開關管的占空比。

圖 8 閉環控制框圖

圖 9 為 CUK 雙向變換器均壓電路的仿真波形。其中仿真參數為：電池 B1、B2的初始電壓分別為 13 V 和 12.1 V；中間電容 C=10-4F，電感L1=L2=0.01 H。

圖 9 CUK 雙向變換器均壓電路的仿真波形

圖 9（a）是電池 B1和電池 B2的均壓仿真波形，由圖可知，當電池電壓 VB1>VB2時，電池 B1和電池 B2在 CUK 變換器的作用下，電池 B1一直處于放電狀態，而電池 B2則一直處于充電狀態，直至兩電池電壓均達到某一特定值后，兩電池電壓維持穩定，可見該均壓電路實現電池均壓是可行且有效的。圖 9 (b) 是中間電容 C 的電壓波形，電壓的升降反映了中間電容 C 吸收和釋放能量的過程，也驗證了中間電容 C 在整個電路中起傳遞能量作用的重要性質。圖 9 (c) 和 (e)、(d) 和 (f) 分別表示電感 L1和 L2的電壓、電流波形，反映了電感在電路工作狀態下的變化過程及其儲能特性。

圖10 為 CUK 雙向變換器均壓電路的測試實驗結果。實驗蓄電池的初始電壓值分別為VB1=12.4 V，VB2=12.3 V 和 VB3=11.5 V；電感值L1=L2=L3=L4=10-4H；電容值 C1=C2=4.7×10-4F；開關管型號：IRF530；開關頻率：20 kHz；控制芯片：UC3842 電流控制型控制芯片，該芯片具有電流反饋和電壓反饋雙環控制的特點，用于生成一定占空比的 PWM。實驗表明該電路能達到預期效果。

圖 10 (a) 電感 L1的電流波形；(b) 電感 L2的電流波形；(c) 電池均壓波形

5 結語

在現有的串聯電池均壓方法的基礎上，對CUK 雙向變換器均壓電路進行了研究和分析。該均壓電路通過 CUK 變換器實現電池間的能量轉移，在兩端各加入一個電感保證了輸入輸出電流紋波足夠小，降低了對電池的干擾，提高了效率，通過電壓反饋和電流反饋的雙閉環控制能有效地調節電池端電壓，使得整個回路趨于穩定。并且在不同的應用場合也可以根據實際需求改變電路參數以及適當地調整均壓策略來實現串聯電池均壓的目的。

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Equalizing method for series-connected battery based on CUK bidirectional converter

HE Junru1, WANG Hongcheng2, FANG Yucheng1, WANG Haitang2
(1. School of Mechatronics Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500; 2. School of Electrical Information, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500, China)

Abstract:This paper explored a distributed non-isolated converter equalizing method based on CUK converter topology structure to realize the energy exchange between two series-connected batteries. The working principle of the equalizing circuit was introduced, and the theoretical analysis was carried on. In the meantime, by using a balanced scheme of double closed-loop control with voltage feedback and current feedback, the simulation model of the equalizing circuit is established in MATLAB/Simulink. The simulation results and experimental results demonstrated the feasibility of this approach.

Key words:CUK converter; energy transfer; equalizing circuit; power battery; double closed-loop control; current ripple; voltage pulsation

收稿日期：2015–06–24

中圖分類號：TM 912.9

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0847(2016)01-26-05