基于半桥LLC具有电流限制的电池均衡器

自动均衡器一般不需要传感电路，这使得设计简单，尺寸更小，但为了电路能够安全运行，一般会在均衡路径中加入电阻和二极管，这使得均衡效率和速度都大打折扣。故本文采用了一种基于半桥LLC谐振变换器的电池均衡器，该均衡器可通过更改电容等器件参数控制均衡电流大小从而提高均衡速度，又由于软开关操作，提升了均衡效率。本文首先介绍均衡拓扑和工作模式，然后通过建立电路等效模型分析了均衡原理、软开关条件，最后通过搭建仿真验证该均衡器的可行性。

锂离子电池具有循环寿命长、能量密度大以及自放电率低等优点，广泛应用于电动汽车、航空航天以及光伏系统等应用领域[1] [2] [3] [4] [5]。为了满足要求，大量的锂离子电池可以串联或并联，以提高电池的终端电压和容量。然而，串联电池可能存在电压不一致，这可能随着反复充放电而增加。因此， 均衡器通常用于平衡电池能量，延长电池组寿命。

近年来，人们提出了许多平衡方法，一般可分为被动均衡和主动均衡两种。被动均衡利用电阻和晶体管来耗散高压电池的多余能量，成本低，结构紧凑。然而，由于其多余的能量被耗散，所以减少了可用的容量，并且散热也会加速电池的老化，故被动均衡有一定的缺陷。

在主动均衡的方法中，高电压电池的多余能量通过均衡器转移到低电压电池，它由有源开关和无源元件组成，如电容器，电感或变压器。通常，传感电路检测电池电压来估计荷电状态(SOC)。然而，大量传感电路的使用增加了成本、尺寸和控制难度。

为了去除传感电路，人们研制了自动均衡器。文献[6]提出了一种双层开关电容器(SC)均衡器，其电容器交替连接到相邻的电池，状态在电池之间以固定频率来回切换，而不考虑SOC，故具有局限性。另外， 一些均衡器使用LC 谐振网络来平衡电池[7]， 这些均衡器消除了传统SC 均衡器存在的涌流问题。

为了减少开关数量和改善平衡路径，文献[8]提出了一种基于多绕组变压器的平衡方法，能量可以直接从高压电池传输到低压电池。为了进一步减小电路尺寸，在文献[9]中提出了一种改进的均衡器，即相邻电池共用一个变压器绕组，这与电池数量相比，线圈的数量减少了一半。对于前面提到的自动均衡器，能量转移是由电池之间的电压差驱动的[10]，尤其是在电压差较小的情况下(平衡电流与电压差正相关)，整体平衡速度较慢。此外，为了保证电路运行安全，还必须考虑一些系统约束[11]，如最大电流和最大电压， 通常的方法是增加串联电阻，这反过来又增加了传导损失和热量[12]。

为了克服这些缺点，本文采用了一种基于半桥LLC 谐振变换器的电压均衡器，所有的开关管都由一对具有固定死区时间的互补控制信号驱动，能量可以直接从高电压电池转移到低电压电池，以实现电池电压均衡。该均衡器通过引入软开关操作，实现了较低的开关损耗，谐振电容器的并联二极管对最大功率施加限制，以实现平衡电流限制。这样，在平衡路径中就不需要额外的电阻和二极管，即使电池之间的电压差很小，平衡速度也大大提高。