CN106532829A - 锂电池组充放电的两级均衡控制电路、系统及控制策略 - Google Patents

锂电池组充放电的两级均衡控制电路、系统及控制策略 Download PDF

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Abstract

锂电池组充放电的两级均衡控制电路、系统及控制策略，其中，均衡控制电路包括对称多绕组变压器和DC‑DC变换器；系统包括锂电池组和与锂电池组连接的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，两级均衡控制电路包括数据采集电路、均衡电路、控制器和驱动电路；控制策略，先进行锂电池组内的单体锂电池之间的均衡控制，再进行锂电池组与锂电池组之间的均衡控制。该方法把DC‑DC变换器用于单体锂电池间均衡和改进的对称多绕组变压器用于锂电池组间的均衡，通过这两种拓扑结构优势互补以解决锂电池均衡技术中控制复杂、均衡不准确、速度慢、效率低、成本高等问题。

Description

锂电池组充放电的两级均衡控制电路、系统及控制策略
技术领域
本发明涉及锂电池组充放电技术领域，具体涉及一种锂电池组充放电的两级均衡控制电路、系统及控制策略。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、标准电压高、无重金属污染等优点，非常符合当前人类可持续发展的绿色要求，尤其在电动汽车动力电池储能领域备受关注。为保证电动汽车足够的续驶里程，电动汽车往往装载大量电池组，这些电池组由很多单体电池串并联组成的，因此，由于电池生产工艺、制造及路况、温差等使用环境差异因素，不可避免造成单体及电池组之间电量不均衡，从而使电池组存在安全隐患或降低电池组使命寿命。进而，锂离子电池组间的均衡问题制约着电动汽车的发展，并成为当前研究的关键技术。
均衡对于动力电池组的重要性不在赘述，在目前电动汽车BMS（电池管理系统）的均衡方案中，均衡控制技术分为被动均衡和主动均衡两种，被动均衡方法结构简单，便于控制，但电阻能耗放电，浪费能量，产生热量，以能量耗散进行均衡，不符合绿色能源发展的要求；主动均衡技术开关数量多，控制复杂且不易实现。对于DC-DC变换器，具有均衡效率高便于模块化等优点，是常用的电源设计电路，但是当串联单体数量较多时，均衡时间长；多绕组变压器均衡速度快，低磁损失，但增减电池时需改变磁芯，不适用于大量单体电池间的均衡。
发明内容
为了克服现有均衡技术的不足，本发明提供了一种锂电池组充放电的两级均衡控制电路、系统及控制策略。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：锂电池组充放电的两级均衡控制电路，均衡控制电路包括对称多绕组变压器，一个对称多绕组变压器具有多个次级绕组，每个次级绕组接入锂电池组两端，对称多绕组变压器的各个次级绕组分别对应连接一个锂电池组pack n的两端，锂电池组间的均衡电路为第一级均衡电路；均衡控制电路还包括多个DC-DC变换器，一个DC-DC变换器接入锂电池组中的一个单体锂电池的两端，锂电池组中的单体锂电池之间的均衡电路为第二级均衡电路。
其中，一个对称多绕组变压器包括一个铁芯、一个初级绕组和多个次级绕组，每个次级绕组Tpi接入一个锂电池组pack n、一个第一场效应晶体管Spi、一个滤波电感Lfi、一个滤波电容Cfi和一个谐振电容Csi。
其中，对称多绕组变压器设计为匝数比1：1：……：1的对称式结构。
其中，每个对称多绕组变压器次级绕组的Tpi和电容Csi形成一个振荡电路，因而磁电流能够复位（此时占空比不能大于50%），保证输出信号频率和幅度的稳定，场效应晶体管在一定程度上能达到较高的效率。
其中，每个锂电池组pack n由多个单体锂电池组成。
其中，一个DC-DC变换器包括一个储能电感Lni、一个第二场效应晶体管Sni和一个反向二极管Dni，其中，n为锂电池组的编号，n=1，2，3，…，i为一个锂电池组内的单体锂电池的编号，i=1，2，3，4。
其中，串联的四个单体锂电池B11、B12、B13、B14构成一个锂电池组pack1，串联的四个单体锂电池B21、B22、B23、B24构成一个锂电池组pack2，串联的四个单体锂电池Bn1、Bn2、Bn3、Bn4构成一个锂电池组pack n。
锂电池组充放电的两级均衡控制系统，包括锂电池组，还包括如上与所述锂电池组连接的锂电池组充放电的两级均衡控制电路。
其中，两级均衡控制电路包括数据采集电路、均衡电路、控制器和驱动电路，数据采集电路连接在单体锂电池的两端，用于采集单体锂电池的电压和电流；均衡电路连接锂电池组和控制器，通过控制器输出信号控制单体锂电池和锂电池组之间能量进行转移；控制器连接数据采集电路和均衡电路，通过对数据采集电路采集的电压、电流进行计算处理并作出判断，再输出信号给驱动电路，驱动电路驱动均衡电路对锂电池组进行能量均衡控制。
锂电池组充放电的两级均衡控制策略，先进行锂电池组内的单体锂电池之间的均衡控制，再进行锂电池组与锂电池组之间的均衡控制，其中，锂电池组内的单体锂电池之间的均衡控制方法为：数据采集电路把从各单体锂电池采集的电压信号传输到控制器，控制器根据电压信号对单体锂电池的不均衡状态进行判断，若，第二场效应晶体管Sni的栅极输入脉宽（PWM）信号，对电压差值大于的单体锂电池进行分流，并向储能电感Lni蓄电，否则，第二场效应晶体管Sni断开，储能电感Lni对串联的低能量的单体锂电池释放能量，当时完成均衡；否则，继续返回数据采集电路进行电压采集；其中，表示单体锂电池的电压，表示每个锂电池组中全部单体锂电池的平均电压，表示锂电池组中各单体锂电池参考均衡阈值。
其中，锂电池组与锂电池组之间的均衡控制方法为：数据采集电路把从各锂电池组采集的电压信号传输到控制器，控制器根据电压信号对锂电池组的不均衡状态进行判断，若，控制器输出信号经驱动电路控制多绕组变压器中的第一场效应晶体管Spi的占空比D，，ton为场效应管导通时间，T为电路工作周期，若锂电池组的电压高于对应连接的次级绕组的电压，则锂电池组的能量转移到对称多绕组变压器；若锂电池组的电压低于对应连接的次级绕组的电压，则次级绕组向电池组转移能量，当时完成均衡，否则，继续返回数据采集电路进行电压采集，其中，表示锂电池组的电压，表示锂电池组之间的平均电压，表示参考均衡阈值。
本发明的有益效果：
（1）若某一单体电池电压偏离（大于或小于）参考均衡阈值，控制器输出控制信号使场效应管导通或断开，实现储能电感对单体锂电池的充放电，使所在的一个锂电池组内所有单体锂电池的能量达到一致，保证了单体锂电池的能量能够充分发挥出来；
（2）若某一锂电池组pack n偏离所有锂电池组的参考均衡阈值，控制器对对称多绕组变压器输出一个控制信号，即所有锂电池组pack能量实现均衡，这样不但保证了锂电池组能量充分发挥，而且保证了锂电池组的可靠性；
（3）该方法结合了DC-DC变换器在单体锂电池数量较多时，均衡时间长、控制较复杂和变压器成本高、不适用于大量单体间均衡的缺点，把DC-DC变换器用于单体锂电池间均衡和改进的对称多绕组变压器用于锂电池组间的均衡，通过这两种拓扑结构优势互补以解决锂电池均衡技术中控制复杂、均衡不准确、速度慢、效率低、成本高等问题。通过该结构设计的均衡电路和系统能够延长单体电池和电池组的整体寿命，保证了电动汽车的续驶里程，适用于纯电动车及混合动力汽车等功率较大的应用场合。
附图说明
图1是本发明锂电池组两级均衡拓扑图；
图2是本发明锂电池组两级均衡系统结构图；
图3是本发明锂电池组均衡驱动电路图；
图4是本发明锂电池组间pack1的均衡原理图；
图5是本发明锂电池组间pack n的均衡原理图；
图6为本发明单体锂电池1放电；
图7为本发明单体锂电池2、3、4充电；
图8为本发明单体锂电池2放电；
图9为本发明单体锂电池1充电；
图10为本发明单体锂电池3放电；
图11为本发明单体锂电池1、2充电；
图12为本发明单体锂电池4放电；
图13为本发明单体锂电池1、2、3充电；
图14为本发明单体锂电池间的均衡流程图；
图15为本发明锂电池组之间的均衡流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
锂电池组充放电的两级均衡控制电路，如图1所示，均衡控制电路包括对称多绕组变压器，一个对称多绕组变压器具有多个次级绕组，每个次级绕组接入锂电池组两端，对称多绕组变压器的各个次级绕组分别对应连接一个锂电池组pack n的两端，锂电池组pack1、pack2……pack n之间的均衡电路为第一级均衡电路；均衡控制电路还包括多个DC-DC变换器，一个DC-DC变换器接入锂电池组中的一个单体锂电池的两端，锂电池组中的单体锂电池之间的均衡电路为第二级均衡电路。其中，一个对称多绕组变压器包括一个铁芯、一个初级绕组和多个次级绕组，每个次级绕组Tpi接入一个锂电池组pack n、一个第一场效应晶体管Spi、一个滤波电感Lfi、一个滤波电容Cfi和一个谐振电容Csi。
其中的对称多绕组变压器设计为匝数比1：1：……：1的对称式结构，所有第一场效应管Spi只需要一个控制信号，就能实现不均衡电池组之间的能量转移。详细地：当锂电池组与锂电池组之间的能量达到均衡阈值时，通过控制器输出信号经驱动电路（图3）控制锂电池组(pack1，pack2，…，packn)中的第一场效应晶体管Spi的占空比D，D=ton/T，ton为场效应管导通时间，T为电路工作周期，使锂电池组内的所有第一场效应晶体管Spi同时导通和断开，锂电池组的能量耦合到对称多绕组变压器的次级绕组，每个次级绕组的电压保持一致。当所有不均衡电池组对应的场效应管Spi导通时，若锂电池组的电压高于对应连接的次级绕组的电压，则锂电池组的能量转移到次级绕组；若锂电池组的电压低于对应连接的次级绕组的电压，则次级绕组向电池组转移能量，实现各个电池组的能量达到一致，具体原理如图4和图5所示。
每个锂电池组pack n由多个单体锂电池组成，优选的，本发明中，锂电池组由电池组pack1、pack2…pack n组成，锂电池组packn由四个串联的单体锂电池Bn1、Bn2、Bn3、Bn4组成，其中，串联的四个单体锂电池B11、B12、B13、B14构成一个锂电池组pack1，串联的四个单体锂电池B21、B22、B23、B24构成一个锂电池组pack2，串联的四个单体锂电池Bn1、Bn2、Bn3、Bn4构成一个锂电池组pack n。
其中，一个DC-DC变换器包括一个储能电感Lni、一个第二场效应晶体管Sni和一个反向二极管Dni，其中，n为锂电池组的编号，n=1，2，3，…，i为一个锂电池组内的单体锂电池的编号，i=1，2，3，4。
第二场效应管Sni的开关状态由其栅极的控制信号决定，并决定能量转移的方向；当场效应管的栅极输入脉宽信号时，电压差值大于均衡阈值的单体电池通过场效应管向储能电感存储能量；当场效应管断开时，则储能电感对串联的电池释放能量；第二场效应管Sni的栅极的控制信号来自于控制器对单体锂电池电量的处理、计算和判断，由单体锂电池的电量与参考均衡阈值的差值确定。
锂电池组充放电的两级均衡控制系统，包括锂电池组，还包括与所述锂电池组连接的锂电池组充放电的两级均衡控制电路。
进一步地，如图2所示，两级均衡控制电路包括数据采集电路、均衡电路、控制器和驱动电路，数据采集电路连接在单体锂电池的两端，用于采集单体锂电池的电压和电流；均衡电路连接锂电池组和控制器，通过控制器输出信号控制单体锂电池和锂电池组之间能量进行转移；控制器连接数据采集电路和均衡电路，通过对数据采集电路采集的电压、电流进行计算处理并作出判断，再输出信号给驱动电路，驱动电路驱动均衡电路对锂电池组进行能量均衡控制。
其中，每个对称多绕组变压器次级绕组Tpi和电容Csi形成一个振荡电路。
锂电池组充放电的两级均衡控制策略即控制方法：先进行锂电池组内的单体锂电池之间的均衡控制，再进行锂电池组与锂电池组之间的均衡控制。
其中，锂电池组内的单体锂电池之间的均衡控制方法为：如图14所示，数据采集电路把从各单体锂电池采集的电压信号传输到控制器，控制器根据电压信号对单体锂电池的不均衡状态进行判断，若，第二场效应晶体管Sni的栅极输入脉宽（PWM）信号，对电压差值大于的单体锂电池进行分流，并向储能电感Lni蓄电，否则，第二场效应晶体管Sni断开，储能电感Lni对串联的低能量的单体锂电池释放能量，当时完成均衡；否则，继续返回数据采集电路进行电压采集；其中，表示单体锂电池的电压，表示每个锂电池组中四个单体锂电池的平均电压，表示锂电池组中各单体锂电池参考均衡阈值；
其中，锂电池组与锂电池组之间的均衡控制方法为：如图15所示，数据采集电路把从各锂电池组采集的电压信号传输到控制器，控制器根据电压信号对锂电池组的不均衡状态进行判断，若，控制器输出信号经驱动电路控制多绕组变压器中的第一场效应晶体管Spi的占空比，使所有第一场效应晶体管Spi同时导通和断开，锂电池组的能量耦合到对称多绕组变压器的次级绕组，此时每个次级绕组的电压保持一致。当所有不均衡电池组对应的场效应管Spi导通时，若锂电池组的电压高于对应连接的次级绕组的电压，则锂电池组的能量转移到对称多绕组变压器；若锂电池组的电压低于对应连接的次级绕组的电压，则次级线圈向电池组转移能量，当时完成均衡，否则，继续返回数据采集电路进行电压采集，其中，表示锂电池组的电压，表示锂电池组的平均电压，表示参考均衡阈值。
下面对本发明的均衡系统的具体均衡原理做出详细描述：
单体锂电池之间用DC-DC变换器进行能量均衡，具体原理如图6至图13所示。其中，如图6所示，以电池组pack 1为例，数据采集电路把从锂电池组检测的电压信号传输到控制器，控制器根据电压信号对锂电池组不均衡状态判断，若，控制策略流程如图14，单体电池B11电压与锂电池组pack1内单体电压平均值之间差值大于参考均衡阈值，场效应管S11导通，单体锂电池B11放电，则B11释放的电压为，，，流入储能电感峰值电流为，，B11释放的能量由公式推导可知，；其中，L11为储能电感，T11为电路工作周期，D为场效应管占空比。
若，其中，i=2，3，4，单体锂电池B12、B13、B14任一电压与锂电池组pack1内单体锂电池电压平均值之差小于均衡阈值（正值），则场效应管S11断开，电感L11对单体锂电池B12、B13、B14进行充电，如图7所示，为了使电感储存的能量全部释放出来并避免饱和迟滞，DC-DC变换器工作在临界电流模式状况下。若控制器判断单体电池B12电压与锂电池组pack1内单体电压平均值之差大于参考均衡阈值，如图8所示，场效应管S12导通，则单体锂电池B12释放能量，L12储存能量；若单体电池B11电压与锂电池组pack1内单体电压平均值之差小于均衡阈值，如图9所示，L12对B11进行充电；若控制器判断单体电池B13电压与锂电池组pack1内单体电压平均值之差大于均衡阈值，如图10所示，场效应管S13导通，则B13释放能量，L13储存能量；若单体电池B11、B12任一电压与锂电池组pack1内单体电压平均值之差小于均衡阈值，如图11所示，L13对B11、B12进行充电。若控制器判断单体电池B14电压与锂电池组pack1内单体电压平均值之差大于均衡阈值，如图12所示，场效应管S14导通，则B14释放能量，L14储存能量；若单体电池B11、B12、B13任一电压与锂电池组pack1内单体电压平均值之差小于均衡阈值，如图13所示，L13对B11、B12、B13进行充电。当电池组pack1中的所有单体锂电池完成均衡后，每个开关周期内，单体锂电池释放出的能量与从其它电池中吸收到的能量相等。
对称多绕组变压器用于锂电池组间能量均衡，具体工作原理如图4所示，若控制器对数据采集电路采集的电压信号进行处理判断出锂电池组pack1电压与各锂电池组电压平均值之间差值大于一均衡阈值，即，控制策略流程如图15，只有锂电池组pack1达到均衡阈值，则场效应管Sp1导通,；其中，为锂电池组pack1的电压，表示锂电池组的平均电压，表示参考均衡阈值。
Sp1导通期间，流过Sp1的电流，，其中，；当t=时，次级绕组电流值达到最大，为；变压器绕组Tp1存储能量为：。其中，Tp为次级绕组电感值，t为电流流过场效应管Sp1的时间；
若控制器判断出锂电池组的电压满足，此时工作原理如图5所示，电池组pack n电压低于锂电池组间平均电压一定阈值时，场效应管Spn内反向二极管导通，Tpn绕组侧产生续流通路，则Tpn绕组侧电流峰值为，则电池组pack n吸收的能量为，式中，N为绕组匝数，ts—ton为Tpn绕组侧释放能量的时间，。
若控制器判断出同时有很多组锂电池组出现不均衡现象，则输出控制信号同时打开所有变压器场效应管Spi，电池组能量耦合到变压器次级绕组，当t=ton时，每个次级绕组电压等于所有电池组平均电压，即。控制器判断出任一锂电池组pack满足，则导通对应开关管内反向二极管，对低电压锂电池组进行充电。当所有场效应管Spi断开期间，锂电池组packn对应的次级绕组Tpi和电容Csi形成一个振荡电路，电容Csi吸收来自次级绕组Tpi的能量和场效应管Spi的结电容，当t=ts时，使磁电流能够及时复位，保证输出信号频率和幅度的稳定，又减少了场效应管的能量损耗。其中，ton表示场效应管导通时间；ts表示场效应管断开时间。
为验证本发明的锂电池组充放电储能的两级均衡控制方法的有效性，对相关均衡电路进行了参数设计。电池组选用SE-100AHA型号单体电池，试验设计三个电池组，四个单体电池组成一个电池组，共十二块单体电池。变压器电感Tp为30μH，场效应管Spi频率为100kHz，开关管Sni选用频率范围10-60kHz，一个电池组内储能电感Lni分别为4μH，6μH，9μH，12μH，实验前手动对充满电的单体电池放电，经过均衡后单体电池电压能达到很好的一致性，误差不超过5%，所用时间比仅用DC-DC变换器也大大缩短。
本发明实施方案中锂电池组充放电储能的两级均衡控制方法通过控制器对数据采集电路采集的电压、电流进行计算处理并作出判断，若满足预设均衡阈值，再输出信号给驱动电路，驱动电路驱动均衡电路对锂电池单体和锂电池组进行能量均衡控制。该两级拓扑结构克服了DC-DC变换器在单体电池数量较多时均衡时间长、控制较复杂和变压器成本高、不适用于大量单体间均衡的缺点，通过两种拓扑结构优势互补，把DC-DC变换器用于单体间均衡和对称多绕组变压器用于组间均衡，简化了控制过程，提升了均衡效率和速度，并延长了电池组的整体使用寿命。
本发明的两级均衡拓扑结构包括对称多绕组变压器和DC-DC变换器，对称多绕组变压器的一个次级线圈接触锂电池组两端，则具有多个次级线圈的变压器的各个线圈分别接入一个串连电池组两端，这种电池组间的均衡方式为第一级均衡；一个DC-DC变换器接入锂电池组中一个单体锂电池，则锂电池组的单体锂电池间的均衡为第二级均衡。通过该结构设计的均衡系统可延长单体电池和电池组的整体寿命，保证了电动汽车的续驶里程，适用于纯电动汽车及混合动力汽车等功率较大的应用场合。
以上为本发明的具体实施例，凡是利用权利说明书或附图的等效变换，均在本发明专利的保护范围内。

Claims (10)

1.锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：均衡控制电路包括对称多绕组变压器，一个对称多绕组变压器具有多个次级绕组，每个次级绕组接入锂电池组两端，对称多绕组变压器的各个次级绕组分别对应连接一个锂电池组pack n的两端，锂电池组间的均衡电路为第一级均衡电路；均衡控制电路还包括多个DC-DC变换器，一个DC-DC变换器接入锂电池组中的一个单体锂电池的两端，锂电池组中的单体锂电池之间的均衡电路为第二级均衡电路。
2.根据权利要求1所述的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：一个对称多绕组变压器包括一个铁芯、一个初级绕组和多个次级绕组，每个次级绕组Tpi接入一个锂电池组pack n、一个第一场效应晶体管Spi、一个滤波电感Lfi、一个滤波电容Cfi和一个谐振电容Csi。
3.根据权利要求2所述的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：对称多绕组变压器设计为匝数比1：1：……：1的对称式结构。
4.根据权利要求2所述的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：每个变压器次级绕组Tpi和谐振电容Csi形成一个振荡电路。
5.根据权利要求1所述的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：每个锂电池组pack n由多个单体锂电池组成。
6.根据权利要求1、2或5所述的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：一个DC-DC变换器包括一个储能电感Lni、一个第二场效应晶体管Sni和一个反向二极管Dni，其中，n为锂电池组的编号，n=1，2，3，…，i为一个锂电池组内的单体锂电池的编号，i=1，2，3，4。
7.根据权利要求5所述的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：其中，串联的四个单体锂电池B11、B12、B13、B14构成一个锂电池组pack1，串联的四个单体锂电池B21、B22、B23、B24构成一个锂电池组pack2，串联的四个单体锂电池Bn1、Bn2、Bn3、Bn4构成一个锂电池组pack n。
8.锂电池组充放电的两级均衡控制系统，包括锂电池组，其特征在于：还包括如权利要求1至7任意一项与所述锂电池组连接的锂电池组充放电的两级均衡控制电路。
9.根据权利要求8所述的锂电池组充放电的两级均衡控制系统，其特征在于：两级均衡控制电路包括数据采集电路、均衡电路、控制器和驱动电路，数据采集电路连接在单体锂电池的两端，用于采集单体锂电池的电压和电流；
均衡电路连接锂电池组和控制器，通过控制器输出信号控制单体锂电池和锂电池组之间能量进行转移；
控制器连接数据采集电路和均衡电路，通过对数据采集电路采集的电压、电流进行计算处理并作出判断，再输出信号给驱动电路，驱动电路驱动均衡电路对锂电池组进行能量均衡控制。
10.锂电池组充放电的两级均衡控制策略，其特征在于：先进行锂电池组内的单体锂电池之间的均衡控制，再进行锂电池组与锂电池组之间的均衡控制，其中，锂电池组内的单体锂电池之间的均衡控制方法为：数据采集电路把从各单体锂电池采集的电压信号传输到控制器，控制器根据电压信号对单体锂电池的不均衡状态进行判断，若，第二场效应晶体管Sni的栅极输入脉宽信号，对电压差值大于的单体锂电池进行分流，并向储能电感Lni蓄电，否则，第二场效应晶体管Sni断开，储能电感Lni对串联的低能量的单体锂电池释放能量，当时完成均衡；否则，继续返回数据采集电路进行电压采集；其中，表示单体锂电池的电压，表示每个锂电池组中全部单体锂电池的平均电压，表示锂电池组中各单体锂电池参考均衡阈值；
其中，锂电池组与锂电池组之间的均衡控制方法为：数据采集电路把从各锂电池组采集的电压信号传输到控制器，控制器根据电压信号对锂电池组的不均衡状态进行判断，若，控制器输出信号经驱动电路控制对称多绕组变压器中的第一场效应晶体管Spi的占空比，若锂电池组的电压高于对应连接的次级绕组的电压，则锂电池组的能量转移到对称多绕组变压器；若锂电池组的电压低于对应连接的次级绕组的电压，则次级绕组向锂电池组转移能量，当时完成均衡，否则，继续返回数据采集电路进行电压采集，其中，表示锂电池组的电压，表示锂电池组的平均电压，表示参考均衡阈值。
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