摘 要

通信电源是通信设备所不可或缺的一个部分，在通信电源的使用过程中，蓄电池组中各电池单体的不一致性会被逐渐放大，最终造成各电池单体中的能量不均衡，减少电池的寿命和有效容量。所以需要设计串联均衡电路对其进行均衡控制。本文主要设计了一个基于电池本体的串联均衡电路，并对其进行仿真。前两章先介绍背景知识，国内外均衡电路的研究成果和电池的充放电特性。第三章主要讲均衡电路的设计，主要采用了基于电池本体的均衡方案和两个升压斩波电路的能量转移方案。第四章对所设计的电路进行仿真，对其具体参数和仿真细节做了详尽的说明。

关键词：串联均衡；基于电池本体；电压控制；matlab

Abstract

The communication power supply is an indispensable part of the communication equipment. During the use of the communication power supply, the inconsistency of each battery cell in the battery pack will be gradually amplified, eventually causing the energy in the battery cells to be unbalanced and the battery to be reduced. The life and effective capacity. Therefore, it is necessary to design a series equalization circuit to perform the equalization control. In this paper, a series of equalization circuits based on battery body is designed and simulated. The first two chapters introduce the background knowledge, research results of domestic and international balanced circuits, and the characteristics of battery charge and discharge. The third chapter mainly discusses the design of the equalization circuit. It mainly adopts the equalization scheme based on the battery body and the energy transfer scheme of two boost chopper circuits. In the fourth chapter, the designed circuit is simulated, and its detailed parameters and simulation details are explained in detail.

Keywords: series equilibrium; battery-based; voltage control; matlab

目录

1绪论……………………………………………………………………………………1

1.1研究背景及意义……………………………………………………………………2

1.2国内外研究成果……………………………………………………………………2

1.2.1电池均衡控制策略………………………………………………………………2

1.2.2均衡电路…………………………………………………………………………2

1.3课题研究与预期……………………………………………………………………6

2蓄电池原理……………………………………………………………………………7

2.1蓄电池选取…………………………………………………………………………7

2.2磷酸铁锂电池电化学特性…………………………………………………………10

2.2.1反应原理…………………………………………………………………………10

2.2.2恒流充放电特性…………………………………………………………………11

2.2.3电压与SOC的关系………………………………………………………………12

2.2.4温度对电池特性的影响…………………………………………………………13

2.2.5脉冲充电特性……………………………………………………………………13

2.3磷酸铁锂电池模型…………………………………………………………………15

3均衡电路设计及控制策略……………………………………………………………18

3.1方案选择……………………………………………………………………………18

3.2均衡原理分析………………………………………………………………………19

3.2.1升压斩波电路……………………………………………………………………19

3.2.2基于电池本体的均衡电路………………………………………………………20

3.3控制策略……………………………………………………………………………21

3.4电路各器件参数确定………………………………………………………………22

4均衡电路仿真…………………………………………………………………………24

4.1仿真模型搭建………………………………………………………………………24

4.1.1参数设置与测试…………………………………………………………………24

4.1.2各模块建模………………………………………………………………………27

4.2仿真结果分析………………………………………………………………………32

5总结与展望……………………………………………………………………………36

参考文献…………………………………………………………………………………37

致谢………………………………………………………………………………………39

1绪论

1.1研究背景及意义

随着通信技术的发展和人们对通信要求的提高，为了达到更广的通信覆盖率和更高的通信信号质量，通信基站也是越建越多。而通信电源作为通信基站的能源提供者，一旦出现故障，就会影响整个网络的运行，通信电源在通信电网中占了不大的比重，但是其会影响通信的质量甚至能否运行，因而改进其性能，提升其供电质量，对提升通信质量有着重大的意义^[1]。通信基站通常由电网进行供电，在偏远地区或者新能源丰富的地区可能会添加例如风能，太阳能等的发电设备进行供电，这时候蓄电池就会成为通信电源的主要电力来源。就算是在有电网供电的情况下，为了防止电网供电质量出现问题，或者电网出现停电的情况，蓄电池会作为后备电源，用以保证通信基站得以不间断且高质量的运行。

蓄电池作为后备电源，其使用寿命是一项很重要的参数。因为在偏远地区的通信基站，不可能频繁的去更换蓄电池，这样不仅会耗费很多的人力，也会带来超过远超蓄电池本身的经济成本。因此，提高蓄电池本身的寿命就成了一个很重要的课题。蓄电池在原有的技术条件下被生产出来，其电化学特性已经确定了，也就是设计寿命已经确定了。但是设计寿命是在理想的环境下测试出的，在实际的环境中，电池实际的寿命往往达不到设计寿命，这时候我们可以通过在使用过程中的一些手段，来提高其实际使用寿命。影响蓄电池实际使用寿命的主要有环境温度，充电电压，放电深度^[2]。放电深度是指放电容量与额定容量的比率，比率越高，则对电池的损耗越大。尤其是深度放电，将会对电池造成不可逆的损耗。而生产出的蓄电池单体存在着不一致性，即同一型号的蓄电池单体组成蓄电池组后，其电压，容量，自放电率等参数不完全一致。这是由内因和外因所不可避免的造成的。内因有生产工艺中出现的不一致，即装配，喷涂过程造成的差异和选用的材料中的差异。外因有通风条件，自放电率，温度，充电电压不同等^[3]。这些不一致性会导致在电池实际使用过程中，充放电的不一致，这种不一致又会进一步加剧电池单体之间本身参数的不一致。最终会导致同一个蓄电池组中的电池单体参数差异过大，造成在充放电过程中，有些电池单体适度放电，运行良好，而有些电池早已过度放电，对其造成了很大的损耗。在充电过程中亦是如此。一个电池组的性能是由其所有电池单体共同决定的，一个电池单体的损坏几乎意味着整个电池组的报废。由于以上所述的电池单体的不一致性会导致蓄电池组寿命的大大降低，人们就研究出了蓄电池组均衡技术，对其充放电过程进行管控，让蓄电池单体的不一致性对其影响降到最低。这就是蓄电池均衡技术出现的原因和意义。

1.2国内外研究成果

1.2.1电池均衡控制策略

电池单体电压：

通过对单体电压的直接测量，并以此为控制变量对电池单体是否均衡进行判断和进行调节。因为电压与电池的SOC具有一定的关系，在一定的范围和程度上能够表现出电池单体的SOC状态，所以可以通过其判断蓄电池组各单体是否均衡。但是由于电池的静态开路电压难以测得，和电压与SOC状态并非线性关系且影响因素较多，所以其判断存在一定的误差。但由于其判断简单，计算量较小，所以现在仍然在广泛使用，属于简单实用的控制变量。

电池单体SOC:

SOC的定义较为模糊，其全称是state of charge,即剩余电量。其值为当前剩余容量与电池完全充电后的容量的比值。

（1.1）

Qc即为当前剩余电量，Q1为电池完全充电后的容量。

SOC可以反映电池的荷电状态，所以电池均衡的最终目的是使各蓄电池单体的SOC达到一致。但是SOC不可能直接测出，需要通过电池的其他测量量来进行估算。目前出现了端路电压法，内阻法，安时法，卡尔曼滤波法等估算方法^[4]。其运算较为复杂,且需要测量电池的多个量，测量电路也比较复杂。所以在需要较为精确的对电池进行均衡时会采用这种算法。

1.2.2均衡电路

经过几十年的发展，出现了很多种均衡电路。从整体上来划分，可以分为无源均衡技术和有源均衡技术，无源均衡技术通过无源器件达到转移和消耗能量的目的，主要是用电阻消耗多余的能量，也称能耗法，有源均衡技术则是通过电感电阻等储能元件来转移多余的能量。从结构类型上划分，可以分为集中式和分布式。集中式是指多个电池单体采用同一个均衡器进行均衡，而分布式则是各个电池单体有各自的均衡器。

电阻消耗均衡法：

电阻消耗均衡法是通过在在每个电池单体两端增加一个电阻，在必要的时候让回路导通，将电池单体多余的能量通过热能的形式在电阻上消耗出去。如图1.1所示，如果检测单元检测并判断出某个电池单体的电压过高，那么就可以通过向该电池单体所并联的电阻回路上的IGBT发出触发信号，将其导通，这样电池向电阻放电，直到电压和电量回到可接受的范围内再停止。这种方案非常成熟，唯一的不足是其会消耗多余的能量，且如果消耗的能量过多的话，电阻的发热也会成为问题，所以其的应用多在小容量电池组的场合。

图1.1 电阻消耗均衡法电路

开关电容法：

开关电容法是利用电容来传递各电池单体之间不均衡的能量。如图1.2所示，如果电池单体B1的电压在三个电池单体中最低，而B2的电压是三个电池单体中最高的，那么可以将MOS管G2通过触发信号导通，这样相当于电容C2被并联到了电池单体B2上，这样，B2向C1充电，C1的电压达到跟B2电压一致时充电停止。然后再将MOS管G2关断，将MOS管G1打开，这样电容C1又与电池单体B1并联，C1的电压比B1高，于是电容C1会向电池单体B1充电，知道电容C1的电压下降到与B1一致，这样一来就完成了将电池单体B2多余的能量转移到了电量不足的电池单体B1上来，完成了一次均衡。同时我们也可以看到，电容C2是在电池单体B2和B3之间传输的。所以每个电容可以完成相邻两个电池单体的能量传输任务。通过MOS管高速的开启关断，使能量不断地在相邻的两个电池单体之间进行传输，最终达到各个电池单体的能量均衡。其所需的电容比较小，且能够拓展多个电池单体，控制简单，不需要传感器。缺点是电池单体能量差异小时，均衡较慢^[5]。

图1.2 开关电容法电路

双向DC-DC变流器法：

如图1.3所示，可以看到每个电池单体都使用了一个反激变换的DC/DC变换器。当检测到某个电池单体电压过低或过高时，都可以通过这个DC/DC变换器与整个蓄电池组交换能量。若电池单体B2电压过高，那么先用触发信号使MOS管Q1导通，B2的能量传递给变压器，然后MOS管Q1关断，变压器里的磁场能通过二极管D2回路向整个蓄电池组充电。向整个电池组的充电时，除了Q2，其余负载端的MOS管全部触发导通，这样形成从负载端到电池端的反激电路，将B2传输的能量送入其余的电池单体。

图1.3 双向DC-DC变流器法电路

多绕组变压器均衡法：

如图1.4所示，左边为充电电源，通过变流器把直流电变为交流电，然后通过变流器缓慢上调电压，在线圈副边，也就是电池单体一侧会有相应的感应电压出现，当感应电压随着原边的电压的上升而上升。当副边的感应电压小于所有副边所并联的电池单体的开路电压时，副边回路上的二极管是不导通的，因此没有充电电流。而当副边的感应电压升至比最小的电池单体电压要略大的时候，对应的电池单体回路二极管正向导通，变压器中的电磁能传递给电池单体，使其电压升高直至与感应电压相同。随着变流器电压的升高，变压器副边的电池单体电压最终都会充电，直到与副边电压相同，达到均衡。这种方法需要很大体积的变压器，成本较大，效率受限于变压器^[6]。

图1.4 多绕组变压器均衡法电路

多模块开关选择均衡法：

如图1.5所示，这种方法将蓄电池组分为数个模块，每个模块都有各自的单体选择开关。而在模块之上，又有一个模块选择开关。因此通过这两个开关，可以选定任意一个电池单体。将检测出来的需要进行能量交换的电池单体选中，并且通过双向DC/DC交换器与电源进行能量交换，这样就能实现电池均衡。两层开关的设计大大减少了开关器件的数量。但是此方法每次只能对一个电池单体进行均衡，所以均衡速度较慢^[7]。

图1.5 多模块开关选择均衡法电路

开关电感法：

如图1.6所示，每个相邻的电池单体之间都有一个电感作为能量传递的载体。若电池单体B1的能量高于B2,那么就可以给MOS管Q1触发信号，让Q1导通，B1向电感L1充电，然后将Q1关断，那么L1中的电磁能将会通过续流二极管D2向B2充电，当L1中的能量耗尽为止，完成一次能量转移^[8]。这个结构类似简化的斩波电路。由于D1，D2同时导通有短路的风险，因此需要在其触发信号上添加死区^[9]。

图1.6 开关电感法电路

1.3课题研究与预期

本文主要对蓄电池的模型进行了分析，对均衡电路的优劣进行了评判和选择，最后在课题的要求下，设计了48V1500AH的蓄电池均衡电路，并对其进行了matlab仿真。预期能够使蓄电池各单体进行较为快速的均衡。

2蓄电池原理

2.1蓄电池选取

下面依次介绍各蓄电池的特点：

铅酸蓄电池：

铅酸蓄电池从诞生至今已经有了150多年的历史，而且在世界上有了广泛的使用，如今世界上70%的可充电蓄电池都是铅酸蓄电池^[6]。其与其他蓄电池相比有制造工艺简单，价格低廉，电压平稳，易于维护，浮充寿命长，单电池电压高等的优点。其应用范围十分广泛，小型的常用于小型家电和作为小型后备电源，中型的起到启动，点火，照明等作用，而大型的则多作为通信电源或者是新能源的储能电源。

其基本的化学反应式：

负极：

⇋ （2.1）

正极：

⇋ （2.2）

总反应：

⇋ （2.3）

其中，化学反应方程式从左向右反应时是放电反应，从右向左反应时是充电时发生的反应。

表2.1 各种铅酸电池使用情况比较^[6]

镍基蓄电池：

分为镍镉电池和镍氢电池。镍镉电池也有110余年的历史了。但因为镍镉电池中的镉对环境有污染，后来渐渐被出现的镍氢蓄电池所取代。其属于储氢合金，在一定的温度和压力条件下可以吸收，存储，释放氢气。而且具有储氢量大，无污染，安全可靠等优点^[7]。其比能量甚至能超过锂电池，但是比质量却不如锂电池。其缺点是是存在一定的记忆效应。

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