基于SOC的串聯(lián)連接鋰電池能量均衡控制研究

　　摘要：串聯(lián)鋰電池的SOC均衡控制對提高電池壽命具有重要意義。針對鋰電池單體SOC表現(xiàn)出離散性的不同情況，本文研究了一種主動均衡與被動均衡相結(jié)合的混合均衡方案，其中主動均衡器拓?fù)溆啥嗬@組反激變換器實現(xiàn)，被動均衡器由電阻與開關(guān)組成并聯(lián)在單體電池兩端，詳細(xì)分析了混合均衡器的工作原理。在控制策略上討論了鋰電池SOC的離散性對均衡速度的影響，引入表征SOC離散度的標(biāo)準(zhǔn)差和表征離散原因的系數(shù)以實現(xiàn)SOC不同離散情況下的快速均衡。所提出的混合均衡器拓?fù)浜涂刂品桨改軌蚴购哪芘c均衡速度獲得優(yōu)化，實驗結(jié)果驗證了文中理論的可行性。

　　關(guān)鍵詞：鋰電池;能量均衡;SOC離散性;主動均衡

　　0引言

　　目前，在儲能系統(tǒng)中使用的儲能介質(zhì)主要是鋰電池，其被廣泛地應(yīng)用于電力儲能、新能源發(fā)電等領(lǐng)域。以鋰離子電池為主的儲能系統(tǒng)應(yīng)用于新能源發(fā)電中能夠有效地解決波動性問題，改善電能質(zhì)量。

　　電池管理技術(shù)是一項關(guān)鍵技術(shù)，穩(wěn)定性高、循環(huán)壽命長的電池模塊直接關(guān)系到儲能系統(tǒng)的壽命。在實際應(yīng)用中為了獲得滿足一定要求的電壓等級，通常鋰電池的單體標(biāo)稱電壓等級為.23.6V，需要將多個單體鋰電池進行串聯(lián)以獲得高電壓和大容量。

　　如何快速、準(zhǔn)確均衡各節(jié)電池的OC一直是專家學(xué)者關(guān)注和解決的課題。鋰電池荷電狀態(tài)SOC(StateofCharge)是鋰電池的一項重要參數(shù)[4]，可以精準(zhǔn)地描述電池的可用容量。受到制造工藝、衰減速度等差異因素的影響，經(jīng)過長時間的運行電池模塊在充放電過程中單體鋰電池SOC會表現(xiàn)出離散性，會降低儲能模塊的可用容量。

　　因此，鋰電池組各單體間的容量均衡是延長儲能模塊循環(huán)使用壽命、確保安全可靠的一項關(guān)鍵技術(shù)之一。鋰電池能量均衡主要分為主動均衡和被動均衡，較早出現(xiàn)的是被動均衡也稱為能耗型，每個單體電池兩端并聯(lián)一個由開關(guān)和電阻串聯(lián)的支路，當(dāng)某節(jié)電池的SOC高于電池串平均值時使相應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通，通過電阻消耗該節(jié)電池的多余能量。

　　此種被動能量均衡方法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)且拓展性強，但最大的缺點是能量損耗大。為了提高效率專家學(xué)者研究了主動均衡拓?fù)浼翱刂�，其中一類是利用開關(guān)和電容構(gòu)成能量均衡拓?fù)?,9，每節(jié)電池有一個與之對應(yīng)的選擇開關(guān)和電容，利用單體間電壓差對電池串進行能量均衡，通過電容傳遞能量，此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法簡單且拓展性好，但由于電池間電壓差通常較小，故均衡效率很低，另外電容數(shù)量多導(dǎo)致體積大。另一類是利用開關(guān)和電感進行能量傳遞，采用Cuk、buckboost和準(zhǔn)諧振變換器作為有源均衡器，兩個相鄰的電池將能量從較高SOC轉(zhuǎn)移到SOC較低的電池，由于變換器的對稱結(jié)構(gòu)使能量雙向傳遞。

　　本文研究了主被動相結(jié)合思維混合型均衡器，所提出的均衡器拓?fù)浜涂刂品桨改軌蚴购哪芘c均衡速度獲得優(yōu)化。主動均衡器的拓?fù)溆删哂卸喔边吚@組的反激電路構(gòu)成，每個副邊繞組經(jīng)過雙向開關(guān)與一個電池單體相連，通過反激變換器實現(xiàn)鋰電池串的能量向低OC鋰電池單體傳遞。被動均衡器是在每節(jié)鋰電池正負(fù)極兩端并聯(lián)一個由小功率MOS管與電阻串聯(lián)的支路，通過電阻放電，從而使SOC最高的單節(jié)電池向平均SOC值趨近。在控制策略上，討論了鋰電池SOC表現(xiàn)出不同離散性時不同控制策略對均衡速度的影響，引入表征SOC離散度的標(biāo)準(zhǔn)差和表征離散原因的系數(shù)以達(dá)到SOC離散情況不同下實現(xiàn)快速均衡控制。

　　1鋰電池SOC離散情況與均衡策略分析

　　1.1鋰電池SOC離散情況分析

　　由大量的單節(jié)鋰電池通過串并聯(lián)的形式組成大規(guī)模的大容量鋰電池串，造成了長時間的均衡控制才能消除單體電池SOC之間的微小差距。由于制造材料、制造工藝、衰減速度不同等因素的影響，單體鋰電池SOC會表現(xiàn)出離散性，通�？蓪⑦@種離散性由某單節(jié)電池SOC低于或高于電池串SOC均值歸為兩種典型情況。因此導(dǎo)致了整體SOC具有離散性，為了減小其離散性并達(dá)到整體SOC的統(tǒng)一，需要對單體進行放電。而其中電池串的離散性則相反，需要通過對單體進行充電，達(dá)到因其能量過低引起的電池串均值差距，從而實現(xiàn)整體SOC的統(tǒng)一。

　　當(dāng)電池串出現(xiàn)情況時，若采用給能量低的單體充電的方案，需要給到充電至電池串平均值，將使均衡速度減慢，即均衡速率降低。當(dāng)電池串SOC出現(xiàn)相應(yīng)情況時，若采用給能量高的單體放電的方案，需要給到五個單體電池通過電阻放電至電池串平均值，能量損耗顯著增加導(dǎo)致電池串可用容量浪費。

　　1.2主被動均衡方法對均衡速度的影響

　　假設(shè)個單體鋰電池串聯(lián)，每節(jié)電池的荷電狀態(tài)值。第一節(jié)鋰電池的SOC為m+Δ，其余節(jié)鋰電池的SOC均為，當(dāng)所有單體鋰電池的SOC均為平均值時認(rèn)為鋰電池串能量達(dá)到均衡狀態(tài)。

　　但工程實踐中，鋰電池串的各節(jié)電池SOC會隨主動均衡控制能量轉(zhuǎn)移而不斷變化，導(dǎo)致整個主動均衡器會在控制過程中不斷變化對SOC不一致性的判據(jù)，這對均衡速度會造成較大影響。以反激均衡器為例，若對節(jié)電池中能量最低的某節(jié)充電時，第一節(jié)電池同時在放電，即低能量電池SOC增大與第一節(jié)電池SOC減小同時發(fā)生，這種變化導(dǎo)致主動均衡器的實際均衡時間要短于估算值。考慮被動均衡器中電阻散熱性和開關(guān)管通斷等因素的影響，目前被動均衡電流多為0.1A，并且在上述SOC離散情況下，隨著值的增大，被動均衡控制時間也會增加。

　　2主被動混合型均衡器

　　2.1主被動混合型均衡器及工作原理

　　本文以節(jié)串聯(lián)連接鋰電池進行能量均衡為例給出了主被動混合型均衡器拓?fù)�。主動均衡器的主拓�(fù)洳捎镁哂卸喔边吚@組的雙向反激電路來實現(xiàn)電能與磁能之間的轉(zhuǎn)化，鋰電池串通過電磁轉(zhuǎn)換實現(xiàn)由高能量向低能量的單節(jié)電池傳遞，從而實現(xiàn)電池整體能量的均衡控制。被動均衡器是通過在每塊鋰電池正負(fù)極上并聯(lián)電阻放電，并且電阻與一個小功率MOS管連接，通過電阻放電使SOC高于平均值的鋰電池單體釋放多余能量，OC最高的單節(jié)電池向平均OC值趨近。采用專用芯片LTC6803完成鋰電池電壓信號采集、小功率MOSFET驅(qū)動。

　　主動均衡器為反激變換器，變壓器共有七個繞組，繞組為變壓器原邊，為副邊繞組，為主控開關(guān)管，與全部鋰電池串串聯(lián)在一起，主要作用是將電池中的電能轉(zhuǎn)換為磁能儲存在變壓器中。其中變壓器副邊的個繞組匝數(shù)相同，各自通過和單節(jié)電池相連。通過控制目標(biāo)鋰電池的開關(guān)管的開通，使其對應(yīng)回路閉合，向目標(biāo)電池進行恒流充電，變壓器中存儲的磁能被轉(zhuǎn)化成電能輸送到目標(biāo)電池中。

　　當(dāng)串聯(lián)鋰電池串的SOC表現(xiàn)出離散性時，均衡器開啟，直到其表現(xiàn)出一致性時，均衡控制認(rèn)為完成，開關(guān)管不再被觸發(fā)，均衡器也停止工作。反激均衡器僅適用于電池串由高向低的能量單體傳輸。若令鋰電池為目標(biāo)單體，均衡器采用同步整流技術(shù)，在反激變換器的變壓器原副邊回路分別控制MOS管通斷，利用互補信號控制各自開關(guān)管的通斷來完成能量傳遞。

　　2.2主被動混合型均衡器控制策略

　　在均衡器工作過程中，為了反映鋰電池SOC的離散性，通常需要引入一個參數(shù)來判斷鋰電池均衡器的工作狀態(tài)。因此如何確定目標(biāo)電池和判斷其均衡條件也是影響均衡高效性的研究要點。標(biāo)準(zhǔn)差在概率統(tǒng)計中是最常使用作為統(tǒng)計分布程度上的測量依據(jù)，能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度。在正太分布中，標(biāo)準(zhǔn)差能反映組內(nèi)個體間的偏離均值程度。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差過大時，數(shù)據(jù)偏離程度較大，正態(tài)分布曲線的峰值低且范圍廣;當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差較小時，數(shù)據(jù)集中分布在均值周圍，正態(tài)分布曲線的峰值高且范圍窄;因此可用單節(jié)電池SOC的標(biāo)準(zhǔn)差來反映鋰電池SOC的離散性。

　　3仿真分析與實驗驗證

　　3.1仿真分析

　　仿真時若想在秒級時間內(nèi)觀測出鋰電池SOC的變化趨勢，電池容量不宜過大，因此本文將鋰電池的額定容量設(shè)為10As，物理意義是使用10A的電流對鋰電池充電需要1s能夠?qū)�鋰電池充滿。為了驗證混合均衡器中被動均衡部分，設(shè)置電池模型的初始SOC為0.8，其余五節(jié)鋰電池模型的初始SOC均設(shè)置為0.7。鋰電池SOC表現(xiàn)出離散性并滿足被動均衡啟動條件，使用30Ω放電電阻為目標(biāo)鋰電池放電，經(jīng)過3.8s后，鋰電池SOC的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.02，認(rèn)為完成了對鋰電池串的能量均衡。

　　4結(jié)語

　　本文研究了一種主動與被動均衡相結(jié)合的鋰電池能量混合均衡器，給出了混合均衡器的拓?fù)洳㈥U述了工作原理，主動均衡器實現(xiàn)鋰電池串能量向低能量鋰電池單體傳遞，被動均衡器根據(jù)OC離散狀況實現(xiàn)放電，從而達(dá)到鋰電池能量均衡的效果。針對鋰電池SOC表現(xiàn)出離散性的不同情況進行了討論，引入了能夠表征鋰電池SOC離散性的標(biāo)準(zhǔn)差和SOC離散性引起原因的系數(shù)，設(shè)計出一種能夠考慮鋰電池SOC不同離散情況的均衡控制策略。針對節(jié)鋰電池儲能模塊進行了能量均衡，被動放電電流為.1A，主動充電電流為，以標(biāo)準(zhǔn)差ε達(dá)到.02時均衡結(jié)束。仿真和實驗驗證了主動均衡與被動均衡相結(jié)合的控制能夠使耗能與均衡速度獲得優(yōu)化并且達(dá)到快速能量均衡。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]徐國棟,程浩忠,馬紫峰,等.用于平滑風(fēng)電出力的儲能系統(tǒng)運行與配置綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)2017,41(11):3470–3479.Guodong,ChengHaozhong,MZifeng,etal.Anoverviewofoperationandconfigurationofenergystoragesystemsforsmoothingwindpoweroutputs[J].PowerSystemTechnology,2017,41(11):3470–3479(inChinese)

　　[2]MirHA,WangZhifang.Impactsofwindpoweruncertaintyongridvulnerabilitytocascadingoverloadfailures[J].IEEEransactionsonSustainableEnergy,2018,9(1):128137

　　[3]闞志忠,柴秀慧,靳本豪,等.基于蓄電池超級電容混合儲能的風(fēng)力發(fā)電功率平滑控制[J].燕山大學(xué)學(xué)報,2018,42(6):501509.anZhizhong,ChaiXiuhui,JinBenhao,etal.Windpowersmoothingcontrolbasedonbatteryandsupercapacitorhybridenergystoragesystem[J].JournalofYanshanUniversity,2018,9(1):128137(inChinese)

　　【4】張立佳,徐國寧,趙向陽,等基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的老化鋰電池SOC估算方法的研究J].電源學(xué)報2020,18(1):5460.

　　作者：馬春艷1，王慶龍1，張迪2，張純江2

轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///dzlw/29579.html