锂电池SOC主动均衡控制：基于双向反激变换器的六串电池组设计与实现

在锂电池组的管理中，单体电池间的荷电状态（SOC）不均衡会严重影响整体性能和寿命。本文将复现一种基于双向反激变换器的主动均衡方案，详细解析其拓扑结构、控制策略与关键保护逻辑。

系统拓扑与核心目标

本方案的核心拓扑是双向反激变换器。它如同一个高效的能量搬运工，可以在串联的电池单体之间双向传递能量。当检测到某节电池SOC偏高时，能量通过变压器从该电池转移到整组；反之，当某节电池SOC偏低时，能量则从整组向该电池补充，从而实现六节串联电池的SOC动态均衡。

下图展示了均衡系统的核心拓扑结构。

均衡控制策略与实现

系统的均衡控制基于平均值-均方差算法。控制单元持续计算电池组的平均SOC，当任意单体SOC与均值的偏差超过设定阈值（如±3%）时，即触发均衡动作。

在实际嵌入式实现中，双向反激变换器MOS管的驱动时序是关键，这通常由MCU的PWM模块精确控制。以下是基于STM32的PWM驱动配置示例代码：

// 同步整流驱动配置
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
htim1.Init.Prescaler = 0;
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim1.Init.Period = 1000; // 对应开关频率50kHz
HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 500; // 初始占空比50%
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

在算法仿真阶段，我们常使用 Python 进行快速验证。以下是均衡判断的核心算法片段：

def soc_balance(batteries):
    avg_soc = np.mean([b.soc for b in batteries])
    var_threshold = 0.03  # 3%阈值

    for b in batteries:
        delta = b.soc - avg_soc
        if abs(delta) > var_threshold:
            transfer_energy = abs(delta) * b.capacity
            flyback_ctrl(b.id, direction=delta>0, power=transfer_energy)

算法验证时，可以观测到均衡动作触发前后的SOC变化趋势。

关键保护逻辑设计

安全的电池管理系统离不开严格的保护机制。本设计在 DSP 或高端MCU中实现了三级电压保护逻辑，防止电池过充与过放：

1. 紧急关断：任何单体电压 > 4.25V，立即切断总回路。
2. 停止充电：任何单体电压 > 4.2V，停止充电流程。
3. 停止放电：任何单体电压 < 2.8V，停止放电。

其保护函数实现示例如下：

void protection_check() {
    for(int i=0; i<6; i++){
        if(cell_voltage[i] > 4.25f) {
            emergency_shutdown();
            buzzer_alert(3); // 三长两短报警
        }
        else if(cell_voltage[i] > 4.2f) {
            charge_disable();
        }
    }
}

保护电路的响应速度与可靠性需要通过严苛测试。下图展示了在异常工况下，保护电路动作时的关键波形。

调试波形与经验总结

在项目复现过程中，遇到了诸多理论设计中未充分提及的挑战，例如MOS管驱动不足导致的炸管、变压器漏感引起的电压尖峰、以及采样时序不同步带来的SOC计算误差等。解决这些问题需要对硬件电路和 控制算法 有深入的理解和反复调试。

最终，当在示波器上观察到各节电池的电压曲线在均衡系统的作用下逐渐收敛、趋于一致时，标志着系统设计取得了成功。下图展示了均衡过程中，电池组电压趋于稳定的实测波形。

通过本次复现，验证了基于双向反激变换器的主动均衡方案的有效性。其核心优势在于拓扑简单、能量可双向流动，结合平均值-均方差控制算法，能够高效地提升电池组的一致性。