采用磁耦合辅助回路实现可重构电池系统换流回路电感的最小化研究

《IEEE Transactions on Power Electronics》：Characterization and Minimization of Commutation Loop Inductance in Reconfigurable Battery Systems Using Magnetically Coupled Auxiliary Loops

本文针对可重构电池系统（RBS）中因电池单元自身结构导致换流回路寄生电感高、制约系统效率提升的问题，研究了基于半桥拓扑的换流回路电感特性。研究人员通过引入磁耦合辅助回路、使用固体铜屏蔽层以及优化电池单元物理排列三种方法，成功将回路电感降低最高达66%。该研究为RBS的高频高效运行提供了重要的理论与实践依据，对电动汽车电驱动系统性能优化具有重要意义。

　　

在电动汽车电驱动系统追求更高效率的背景下，可重构电池系统（Reconfigurable Battery Systems, RBS）结合级联多电平逆变器（Cascaded Multilevel Inverter, MLI）成为一种颇具前景的技术路径。研究表明，即使采用碳化硅（SiC）金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET），MLI的效率也可与传统电压源逆变器（Voltage Source Inverter, VSI）相媲美甚至更优。然而，功率电子系统，尤其是直流/直流（DC/DC）变换器中普遍存在的寄生杂散电感，是制约效率进一步提升的瓶颈。开关损耗是现代变换器中的主要损耗来源之一，而其中由寄生电路电感（如回路电感、共源电感、栅极电感）引起的交叉损耗（Crossover Losses）尤为显著。这些电感对开关损耗的影响程度与回路电感大小、负载电流幅值以及开关频率密切相关。在可重构电池系统中，问题更为特殊：传统的逆变器系统可将大部分电路集成在印刷电路板（PCB）上，通过优化PCB布局能有效减小寄生电感；但RBS的换流回路电感主要来源于电池单元本身（如电芯内部结构、外壳），其电感值可达数百纳亨（nH），仅靠优化PCB布局收效甚微。目前，大量研究集中于PCB级逆变器或独立电池单元的寄生电感，对于将电池单元与PCB上半桥拓扑集成的RBS的换流回路电感特性及其最小化方法，尚缺乏深入探讨。因此，表征并最小化RBS中的换流回路电感，对于提升系统效率、推动其实际应用至关重要。

本研究主要应用了几项关键技术方法：首先，通过频率响应分析仪（Frequency Response Analyzer, FRA）精确测量不同配置下的回路电感；其次，设计了三种不同的PCB原型（Prototype A, B, C）来分别验证无物理旋转的辅助回路、有物理旋转的辅助回路以及有物理旋转的屏蔽层方案的效果；此外，利用有限元法（Finite Element Method, FEM）软件（如Ansys Maxwell和Q3D）对电池单元不同排列方式下的磁场分布和电感进行仿真计算；最后，通过实际开关波形测试（如测量漏源电压和漏极电流）来验证频率响应分析仪测量结果的准确性。研究中使用的电池样本为商用棱柱形电池单元。

回路电感测量与特性分析

研究首先测量了连接单个电池单元的半桥回路电感。结果表明，回路电感随激励频率升高而减小并最终趋于稳定，这源于频率升高导致导体内部电感趋于零，仅剩与频率无关的外部电感。对于无铝壳的电池单元，无磁耦合辅助回路时，电感从1kHz的87.8 nH降至1MHz的46.2 nH；引入紧贴功率路径并部分利用功率路径本身构成的磁耦合辅助回路后，电感降至1kHz的62.5 nH和1MHz的28.0 nH，在1MHz处相对降低39.4%。这证实了所提出的内置式磁耦合辅助回路的有效性。

串联电池单元与外部磁耦合辅助回路

当多个电池单元串联后接入半桥时，回路电感显著增加。研究人员通过制作不同串联数量（n_ser= 1, 2, 3, 6）的PCB原型，系统评估了三种优化策略：

1. 1.
   无物理旋转，辅助回路开路/短路：此配置回路电感最大。短路辅助回路后，电感显著降低（例如n_ser=6时，从211.9 nH降至113.6 nH，降低约46%）。
2. 2.
   有物理旋转（180°交替排列），辅助回路开路/短路：物理旋转本身即能有效减小回路电感（n_ser=6时，从211.9 nH降至102.2 nH，降低约52%）。短路辅助回路后可进一步降低（至86.67 nH）。
3. 3.
   有物理旋转，使用固体铜屏蔽层：此方案效果最佳，电感降至最低（n_ser=6时，为71.09 nH，相对于无旋转开环配置降低66%）。
   

耦合系数（k）的测量显示，无旋转时耦合因子较高（0.53-0.64），而有旋转时耦合因子相对较低（0.35-0.53），且与串联电池单元数量的奇偶性有关。这源于奇偶数量下功率路径布局的差异。通过实际开关波形验证，基于振荡周期计算的回路电感（98.9 nH）与频率响应分析仪测量值（102.2 nH）偏差仅为3.2%，证明了测量方法的可靠性。

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物理旋转的作用机制

通过有限元仿真直观展示了电池单元物理旋转对磁场分布的影响。当所有电池单元正极朝同一方向时，磁场分布范围广、幅值高。而将电池单元180°交替旋转排列后，磁场被限制在更小区域内，幅值降低，电池单元端子间区域几乎无磁通，从而显著降低了回路电感（仿真显示两个串联单元电感从59.6 nH降至24.0 nH，降低59.7%）。

磁耦合辅助回路与屏蔽的原理

磁耦合辅助回路基于变压器原理，为磁化电流提供续流路径。其等效电路模型（如逆Γ模型）表明，即使理想耦合下，电感相关的开关能量也会在次级回路电阻上耗散，而非在MOSFET中，从而减轻了开关器件的应力。同时，由于换流时间缩短，电池单元提供的能量减少，进一步降低了开关损耗。固体铜屏蔽层本质上与辅助回路原理相同，但感应电流（涡流）路径不可控，其优势在于更容易实现高耦合、低阻抗路径，使磁通衰减更慢，重磁化所需能量更少。电池单元的铝外壳本身就是一个有效的屏蔽层。

讨论与展望

文章还探讨了所提方法在其他开关拓扑（如全桥、BM3、M2SPC、PECIN）和其他电池类型（如圆柱形、软包电池）上的适用性。对于全桥拓扑，需要两个磁耦合辅助回路，但在特定简化条件下可沿用半桥的模型。对于圆柱形电池，可通过在中心轴附近增加导线构建辅助回路。在电磁干扰（EMI）方面，减小回路电感通常有助于降低传导噪声，但在电感受限的开关条件下，电流变化率（di/dt）会增加，其净效应需具体分析。磁耦合辅助回路可能使与磁化电感相关的磁通衰减更平缓，从而降低辐射EMI的谐波含量。未来工作可探索在次级线圈端子接入整流器以回收能量，避免其以热量形式耗散。

本研究系统地表征了可重构电池系统中随串联电池数量变化的换流回路电感，并验证了三种有效的电感最小化方法。实验结果表明，结合电池单元物理旋转和固体铜屏蔽层能实现最高达66%的电感降低。磁耦合辅助回路（尤其是部分利用功率路径构建的方式）也能显著降低电感。这些方法不仅适用于半桥拓扑的棱柱形电池RBS，也具备向其他拓扑和电池类型推广的潜力。该研究成果为设计高频、高效、高功率密度的RBS提供了关键的技术支撑和设计指导，对推动电动汽车电驱动系统技术进步具有重要意义。论文发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》。