基于SOC的串聯連接鋰電池能量均衡控制研究

所屬分類：電子論文閱讀次時間：2022-02-17 10:25

本文摘要：摘要：串聯鋰電池的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合的混合均衡方案，其中主動均衡器拓撲由多繞組反激變換器實現，被動均衡器由電阻與開關組成并聯在單體電池兩端，詳細分析

　　摘要：串聯鋰電池的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合的混合均衡方案，其中主動均衡器拓撲由多繞組反激變換器實現，被動均衡器由電阻與開關組成并聯在單體電池兩端，詳細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離散度的標準差和表征離散原因的系數以實現SOC不同離散情況下的快速均衡。所提出的混合均衡器拓撲和控制方案能夠使耗能與均衡速度獲得優化，實驗結果驗證了文中理論的可行性。

　　關鍵詞：鋰電池;能量均衡;SOC離散性;主動均衡

鋰電池儲能論文

　　0引言

　　目前，在儲能系統中使用的儲能介質主要是鋰電池，其被廣泛地應用于電力儲能、新能源發電等領域。以鋰離子電池為主的儲能系統應用于新能源發電中能夠有效地解決波動性問題，改善電能質量。

　　電池管理技術是一項關鍵技術，穩定性高、循環壽命長的電池模塊直接關系到儲能系統的壽命。在實際應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稱電壓等級為.23.6V，需要將多個單體鋰電池進行串聯以獲得高電壓和大容量。

　　如何快速、準確均衡各節電池的OC一直是專家學者關注和解決的課題。鋰電池荷電狀態SOC(StateofCharge)是鋰電池的一項重要參數[4]，可以精準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使用壽命、確保安全可靠的一項關鍵技術之一。鋰電池能量均衡主要分為主動均衡和被動均衡，較早出現的是被動均衡也稱為能耗型，每個單體電池兩端并聯一個由開關和電阻串聯的支路，當某節電池的SOC高于電池串平均值時使相應開關導通，通過電阻消耗該節電池的多余能量。

　　此種被動能量均衡方法拓撲結構簡單，易于實現且拓展性強，但最大的缺點是能量損耗大。為了提高效率專家學者研究了主動均衡拓撲及控制，其中一類是利用開關和電容構成能量均衡拓撲8,9，每節電池有一個與之對應的選擇開關和電容，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，此種拓撲結構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，另外電容數量多導致體積大。另一類是利用開關和電感進行能量傳遞，采用Cuk、buckboost和準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轉移到SOC較低的電池，由于變換器的對稱結構使能量雙向傳遞。

　　本文研究了主被動相結合思維混合型均衡器，所提出的均衡器拓撲和控制方案能夠使耗能與均衡速度獲得優化。主動均衡器的拓撲由具有多副邊繞組的反激電路構成，每個副邊繞組經過雙向開關與一個電池單體相連，通過反激變換器實現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鋰電池正負極兩端并聯一個由小功率MOS管與電阻串聯的支路，通過電阻放電，從而使SOC最高的單節電池向平均SOC值趨近。在控制策略上，討論了鋰電池SOC表現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離散度的標準差和表征離散原因的系數以達到SOC離散情況不同下實現快速均衡控制。

　　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

　　由大量的單節鋰電池通過串并聯的形式組成大規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會表現出離散性，通常可將這種離散性由某單節電池SOC低于或高于電池串SOC均值歸為兩種典型情況。因此導致了整體SOC具有離散性，為了減小其離散性并達到整體SOC的統一，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，達到因其能量過低引起的電池串均值差距，從而實現整體SOC的統一。

　　當電池串出現情況時，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。當電池串SOC出現相應情況時，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

　　假設個單體鋰電池串聯，每節電池的荷電狀態值。第一節鋰電池的SOC為m+Δ，其余節鋰電池的SOC均為，當所有單體鋰電池的SOC均為平均值時認為鋰電池串能量達到均衡狀態。

　　但工程實踐中，鋰電池串的各節電池SOC會隨主動均衡控制能量轉移而不斷變化，導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，這對均衡速度會造成較大影響。以反激均衡器為例，若對節電池中能量最低的某節充電時，第一節電池同時在放電，即低能量電池SOC增大與第一節電池SOC減小同時發生，這種變化導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

　　本文以節串聯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撲。主動均衡器的主拓撲采用具有多副邊繞組的雙向反激電路來實現電能與磁能之間的轉化，鋰電池串通過電磁轉換實現由高能量向低能量的單節電池傳遞，從而實現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極上并聯電阻放電，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，為主控開關管，與全部鋰電池串串聯在一起，主要作用是將電池中的電能轉換為磁能儲存在變壓器中。其中變壓器副邊的個繞組匝數相同，各自通過和單節電池相連。通過控制目標鋰電池的開關管的開通，使其對應回路閉合，向目標電池進行恒流充電，變壓器中存儲的磁能被轉化成電能輸送到目標電池中。

　　當串聯鋰電池串的SOC表現出離散性時，均衡器開啟，直到其表現出一致性時，均衡控制認為完成，開關管不再被觸發，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。若令鋰電池為目標單體，均衡器采用同步整流技術，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來判斷鋰電池均衡器的工作狀態。因此如何確定目標電池和判斷其均衡條件也是影響均衡高效性的研究要點。標準差在概率統計中是最常使用作為統計分布程度上的測量依據，能反映一個數據集的離散程度。在正太分布中，標準差能反映組內個體間的偏離均值程度。當標準差過大時，數據偏離程度較大，正態分布曲線的峰值低且范圍廣;當標準差較小時，數據集中分布在均值周圍，正態分布曲線的峰值高且范圍窄;因此可用單節電池SOC的標準差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為10As，物理意義是使用10A的電流對鋰電池充電需要1s能夠將鋰電池充滿。為了驗證混合均衡器中被動均衡部分，設置電池模型的初始SOC為0.8，其余五節鋰電池模型的初始SOC均設置為0.7。鋰電池SOC表現出離散性并滿足被動均衡啟動條件，使用30Ω放電電阻為目標鋰電池放電，經過3.8s后，鋰電池SOC的標準差小于0.02，認為完成了對鋰電池串的能量均衡。

　　4結語

　　本文研究了一種主動與被動均衡相結合的鋰電池能量混合均衡器，給出了混合均衡器的拓撲并闡述了工作原理，主動均衡器實現鋰電池串能量向低能量鋰電池單體傳遞，被動均衡器根據OC離散狀況實現放電，從而達到鋰電池能量均衡的效果。針對鋰電池SOC表現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離散性的標準差和SOC離散性引起原因的系數，設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，以標準差ε達到.02時均衡結束。仿真和實驗驗證了主動均衡與被動均衡相結合的控制能夠使耗能與均衡速度獲得優化并且達到快速能量均衡。

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　　【4】張立佳,徐國寧,趙向陽,等基于神經網絡的老化鋰電池SOC估算方法的研究J].電源學報2020,18(1):5460.

　　作者：馬春艷1，王慶龍1，張迪2，張純江2