全软开关双向模块化反激式电池电压均衡器拓扑结构

《Journal of Energy Storage》：Fully soft switched bidirectional modularized flyback battery voltage equalizer topology

　　摘要
本文介绍了一种全软切换的双向模块化反激式电池电压均衡器拓扑结构，旨在提高多电池组系统的性能和寿命。该拓扑结构采用软切换技术显著降低切换损耗，从而提高效率。其双向功能使得电池组内的能量可以在不同的方向上传输，通过可选择的操作模式（C2C、P2C和C2P）实现。每种均衡模式根据选定的操作条件独立激活。模块化的反激式转换器结构具有可扩展性和易于集成性，能够适应不同数量和配置的电池组。本文提供了对转换器工作原理和设计考虑的详细分析，并通过原型实验验证了其有效的电压均衡能力、比传统均衡器更高的效率以及更好的热管理性能，这些都有助于延长电池寿命并提高在电动汽车和可再生能源存储系统等应用中的安全性。

引言
现代社会非常重视绿色能源以支持可持续发展，这强烈推动了储能系统（ESS）和电动汽车（EV）的发展。这两种技术都需要大量的能量，因此需要许多电池单元来组成电池组。然而，由于制造工艺、工作环境和循环寿命的不同，电池在使用过程中经常会出现充电状态（SOC）不平衡的问题。这些SOC不平衡可能导致过充、过放，甚至引发火灾或爆炸事件。因此，高效的SOC均衡技术对于解决电池不一致性问题并降低相关风险至关重要[1]。因此，在这些系统中使用电池均衡电路是必不可少的。
电池充电均衡电路主要分为两种类型：被动方法和主动方法[2]，如图1所示。在被动方法中，多余的电能通过分流电阻器耗散以防止过充。虽然这些方法简单，但效率低下、能量损失大且发热量大，可能会缩短电池组的寿命[3]。另一方面，主动方法允许将多余的电能从一个电池单元传输到另一个电池单元，从而提高效率并延长电池组的整体寿命。主动方法进一步分为三类，如图2所示：电池对电池（C2C）、电池对电池组（C2P）和电池组对电池（P2C），具体取决于能量在电池单元或电池组之间的传输方式。
在C2C方法[4],[5]中，电量较高的电池单元向电量较低的电池单元传输多余的能量。电池对电池类别又分为两个子类别：直接电池对电池（DC2C）和相邻电池对电池（AC2C）。在C2C方法中，对于大型电池组，均衡过程可能较慢。在AC2C方法中，如果电量最低和最高的电池单元相距较远，系统的整体效率会受到影响。这种低效率的原因是高电量电池单元的能量需要经过多个中间电池单元才能到达低电量电池单元。文献[4]中描述的AC2C均衡技术使用的是开关电容器配置，这种配置无法调节平衡电流，而是依赖于电池单元之间的电压差。此外，这些开关电容器配置容易出现涌入电流的问题[6],[7]。另一方面，[6],[7]提出了使用多绕组变压器来实现DC2C功能。然而，该框架中的开关可能会受到变压器漏感引起的电压浪涌的影响。
当某个电池单元的电量低于其他单元时，P2C方法[8]的效率更高[9]。但是，如果目标电池单元的电量高于其他单元，则无法使用此方法。另一方面，C2P方法[10],[11],[12]在某个电池单元的电量高于其他单元时效果最佳。然而，当目标电池单元的电量低于其他单元时，这些方法的性能不佳[1],[9],[13]。此外，当电池串中的充电状态（SOC）差异较大时，P2C和C2P方法的电荷传输速率也会变慢[1],[9],[13]。此外，这些方法一次只能平衡一个或两个电池单元[14],[15]，导致多个不平衡电池单元的均衡时间较长。此外，这些方法中使用的开关[10],[11],[16]可能会受到变压器漏感引起的电压尖峰的影响。
为了减少具有多个不平衡电池单元的电池组的均衡时间，研究人员使用了可以同时服务多个电池单元的多绕组变压器[17],[18]。然而，这种方法需要为每个电池单元分别设置一个绕组，而且单个磁芯上可以放置的绕组数量有限，这使得多绕组变压器的实际应用变得复杂。此外，多绕组变压器成本较高且占用空间较大[17]。另有研究表明[17]，可能需要多个多绕组变压器才能实现这一配置。
为了减少变压器中的绕组数量，文献[9],[19],[20],[21]提出了电池单元模块化技术，将串联电池单元组织成模块，每个模块包含多个串联电池单元。然而，这种方法要求每个模块都有自己的磁芯[9],[21]，从而增加了成本和体积。此外，一些提出的电路[19],[20]需要大量的绕组。另外，[19],[20],[21]中的设计存在因变压器漏感引起的电压尖峰问题，导致半导体器件承受的压力增加和效率降低。
在许多应用中，如电动汽车（EV）应用中，均衡器（电池组）的尺寸和重量是一个非常重要的因素。在大多数功率转换器拓扑中，电感器和散热器占据了均衡器的大部分体积和重量。因此，具有较小电感器和紧凑散热器的转换器拓扑非常受欢迎。为了减小电感器和变压器的尺寸，提高切换频率是关键。然而，提高切换频率会导致更高的切换损耗并降低效率。
为了降低切换损耗，采用了零电压切换（ZVS）和零电流切换（ZCS）等软切换技术，从而降低了切换损耗，减小了散热器尺寸，并提高了效率[22],[23],[24],[25]。已经提出了一些软切换电池均衡器设计[26],[27],[28]，但它们存在一些缺点，例如只支持某些均衡方法[26],[28]或需要大量开关[27]。文献[26]中的设计仅支持P2C均衡方法，主要针对低电量电池单元，导致均衡速度较慢，尤其是在电池单元较多的系统中。总体而言，如何在最小化切换损耗、提高效率和创建模块化电池均衡器电路结构之间找到平衡仍是一个挑战。
本文提出了一种全软切换的模块化电池电压均衡器拓扑结构，利用多输出变压器实现。这种转换器具有多个优点，包括仅使用一个变压器和磁芯的模块化结构，能够同时针对多个电池单元并加快均衡速度。由于所有能量传输模式都采用了ZCS技术，该均衡器可以在比其他均衡器更高的切换频率下工作，从而实现更小的尺寸、更轻的重量和更高的效率。该均衡器可以在C2C、P2C、C2P以及模块间进行能量传输，实现快速有效的电池单元均衡。提出的转换器能够有效地吸收和回收变压器漏感能量，从而消除半导体器件上的电压尖峰。这一机制显著降低了半导体器件的电压应力，提高了转换器的整体可靠性和性能。由于其模块化结构和高可扩展性，该均衡器非常适合电动汽车（EV）应用。这些特性使得系统可以轻松扩展到大量电池单元，而无需对拓扑结构进行重大修改，这对于大型EV电池组尤为重要。然而，这些优点是以增加电路和控制复杂性为代价的。
提出的均衡器示意图如图3所示。它由??个串联电池单元组成??个模块，每个模块包含??个串联电池单元。采用了一个具有??个输出的多输出变压器来构建这种模块化结构，每个输出连接到其中一个??个模块。为了为电路开关提供软切换条件，使用了一个简单的辅助电路，包括开关?????1和?????2、电容器????以及一个辅助绕组（????），形成一个零电流过渡（ZCT）电路。为了简化对提出的结构的分析，假设变压器的（????）侧有等效的漏感（????）。变压器的匝数比为????=????/?????1=????/?????2=????/?????3=????/?????4，?????1=????/????，?????2=????/????，以及????=?????1=?????2=???????。电池组的总电压??pack是所有串联电池单元电压的和。为了简化对转换器的分析，假设所有组件都是理想的。此外，为了阐明提出的结构的工作模式，将??和??都设为4。提出的转换器支持P2C、C2C和C2P均衡方法，具体内容将在后续章节中详细描述。
本文中使用的符号和参数如下：
- ????：初级绕组的匝数
- ???????：第??个绕组的匝数
- ????：辅助绕组的匝数
- ????：初级到次级的匝数比
- ?????1：辅助到初级的匝数比
- ????：P2C模式下的最大传输功率
- ?????2：辅助到次级的匝数比
- ????：变压器的励磁电感
- ????：变压器漏感
- ??：电池组中使用的电池单元数量
- K：每个模块中的电池单元数量
- ???????：第??个模块中的第??个电池单元
- ???????：第??个模块中的第??个开关
- ?????????????：由??个串联电池单元组成的电池组电压
- ??????????：第??个模块中的第??个电池单元电压
- ???????????????????：电池单元允许的最低电压
- ???????：切换频率
- ??????????：第??个模块中的第??个开关电压
- ??????????：第??个模块中的第??个开关电流
在这种情况下，电能从电池组中提取并传输到电量低的电池单元或模块。图4和图5分别展示了代表操作模式和转换器关键波形的等效电路。在这种情况下，开关?????2始终处于激活状态，为简化电路，用短路表示。在这种情况下，ZCT电路在开关??1关断瞬间提供零电流切换（ZCS）。在这种情况下，??1和?????1在ZCS条件下导通和关断。
模式1 [??0,??1]：在这种模式下，由于转换器的DCM操作，??1在ZCS条件下导通，电流????开始线性增加。????????(??)=??????????????????(?????0)
模式2 [??1,??2]：在关闭??1之前，?????1在ZCS条件下导通，????和????之间发生共振。在这种模式下，共振持续进行，直到????????1变为反向并达到|???????|?????1。此时，?????1降至零，??1可以在ZCS条件下关断。在这种情况下，辅助开关?????1可以在ZVZCS条件下关断。????????(??)=?????1??????????????+(????????(??1)??????1??????????????)?cos?(?????11?(?????1)) ????????1?(??)=????????(??1)+?????1????????????????11?sin?(?????11?(?????1)) ????????(??)=(????????(??1)+??????????????????(?????1)) ?????11=1√????????? ??11=√????????
模式3 [??2,??3]：在这种模式下，共振持续进行，直到????????1降至零。在这种模式的最后，??22???和??22???导通。????????1?(??)=|???????|?????1?cos?(?????11?(?????2))+??11?(????????(??2)+?????2??????22)?sin?(?????11?(?????2)) ????????(??)=?????2??????22+(????????(??2)??????2??????22)?cos?(?????11?(?????2))+????????????1???11?sin?(?????11?(?????2))
模式4 [??3,??4]：在这种模式下，存储在????中的能量传输到电池单元，其电流降至零。因此，??22???和??22???在ZCS条件下关闭。????????(??)=(????????(??3)???????????22?????(?????3))
在这种情况下，电能从电量高的电池单元提取并传输到电量低的电池单元或模块。图6和图7分别展示了代表操作模式和转换器关键波形的等效电路。在这种情况下，开关?????1始终处于激活状态，为简化电路，用短路表示。在这种情况下，ZCS在开关??22???、??22???和?????2的导通和关断瞬间提供零电流切换。
模式1 [??0,??1]：在这种模式下，由于转换器的DCM操作，??22???和??22???在ZCS条件下导通，电流????开始线性增加。????????(??)=??????????22?????(?????0)
模式2 [??1,??2]：在关闭??22???和??22???之前，?????2在ZCS条件下导通，????和????之间发生共振。在此模式下，共振会持续进行，直到 ????????2 变为反向，并达到 |???????|?????1。此时，?????22??? 和 ?????22??? 的电流降为零，在 ZCS（零电流开关）条件下，??22??? 和 ??22??? 可以关闭。在此模式下，辅助开关 ?????2 也可以在 ZVZCS（零电压零电流开关）条件下关闭。电路中的电流表达式如下：

模式 3 [??2,??3]：在此模式下，共振会持续进行，直到 ????????2 降为零。在此模式结束时，??42??? 和 ??22??? 会导通。????????2?(??)=|???????|?????1?cos?(?????11?(?????2))+??11?(????????(??2)+?????2??????32?sin?(?????11?(?????2))；????????(??)=????????(??1)+?????2??????22??11?sin?(?????11?(?????1))；????????(??)=(????????(??1)+??????????22?????(?????1))；其中 ?????11=1√?????????，??11=√????????。

模式 4 [??3,??4]：在此模式下，存储在 ???? 中的能量被转移到电池单元中，其电流降为零。因此，在 ZCS 条件下，??42??? 和 ??22??? 会关闭。????????(??)=(????????(??3)???????????32?????(?????3))。

设计考虑
所提出的转换器基于反激拓扑结构，可以按照传统的反激转换器设计原则进行设计。为了实现软开关条件，采用了一个包括 ????、????、????、?????1 和 ?????2 的零电流过渡 (ZCT) 电路。

效率计算
为了评估电路效率，通过考虑所有重要的损耗分量来计算总功率损耗：
$$\text{TLoss} = \text{??} \times (\text{??}\text{??}\text{module} + \text{??}\text{??}\text{3} + \text{??}\text{??}\text{a}\text{1} + \text{??}\text{??}\text{a}\text{2} + \text{??}\text{Cu} + \text{??}\text{Core})$$
其中：
- $\text{??}$ 表示系统中的模块数量；
- $\text{??}\text{??}\text{module}$ 表示一个模块中一个开关的功率损耗；
- $\text{??}\text{??}\text{3}$ 是开关 ??1 的导通和电容开通损耗；
- $\text{??}\text{??}\text{a}\text{1}$ 和 $\text{??}\text{??}\text{a}\text{2}$ 表示辅助开关 ?????1 和 ?????2 的导通和电容开通损耗；
- $\text{??}\text{Cu}$ 表示铜线中的损耗。

图 10 展示了平衡模式选择的算法。该算法首先监测各个电池单元的电压，并计算最高电压与最低电压之间的差额 (?????cell)。当 ?????cell 超过设定的阈值 (??threshold) 时，开始平衡过程。然后确定电池组? 平均电压 (??avg)，并分析极端电压与 ??avg 之间的差异。对于两个极端电压相似的情况，算法采用 C2C（蜂窝-to-cell）平衡方式。

实验结果与讨论
为了实验验证所提出的电池均衡电路的理论分析，开发了一个包含 16 个电池单元的实验室原型，如图 16 所示。实验设置的详细规格及其组件规格在表 1 中给出。图 11 显示了 P2C、C2C 和 C2P 平衡过程中的电池单元电压变化情况。实验结果证明所有电池单元的电压均成功趋于一致。

作者贡献声明
Ali Bizhani：撰写——原始草稿，验证，调查，形式分析，概念化。
Nasrin Rezaei-Hosseinabadi：撰写——审阅与编辑，监督。
Ehsan Adib：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
Ali Bizhani 与伊斯法罕理工大学有关联。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

Ali Bizhani | Nasrin Rezaei-Hosseinabadi | Ehsan Adib
伊朗伊斯法罕理工大学（IUT）电气与计算机工程系，84156-83111