新型锂电池组快速无损均衡系统
2021-02-11
来源:好走旅游网
电器与能效管理技术(2017No.5) ・储能技术・ 新型锂电池组快速无损均衡系统 袁晓冬’, 柳 丹’, 李 强’, 刘爱华 , 宋欣民 (1.江苏省电力公司电力科学研究院,江苏南京 21 1 1 03; 2.杭州科工电子科技有限公司,浙江杭州摘310012) 要:设计了一种锂电池组快速能量转移式均衡系统,采用半桥式双向DC/DC 转换电路的均衡模块,在基于电压、SOC、SOH的均衡策略控制下,将能量从磷酸铁锂电 池组中能量较高的电池传递到较低的电池,最后达到整组电池具有相近的电压和SOC。 袁晓冬(1979一), 男,高级T程师,主 要从事主动配电 网、新能源发电并 网、储能应用技术 研究。 制作样机并进行均衡试验,结果表明该均衡系统能达到预期的均衡效果。 关键词:能量转移式均衡;磷酸铁锂电池;半桥式双向DC/DC;均衡策略 中图分类号:TM 911文献标志码:A文章编号:2095-8188(2017)05-0070-06 DoI:10.16628/j.cnki.2095—8188.2017.05.014 A Novel Quick N0ndestructiVe Equilibrium System of Lithium Batteries YUAN Xiaodong , U Dan ,LI Qiang , Aihua ,SONG Xinmin。 (1.Jiangsu Electric Power Research Institute,Nanjing 21 1 103,China; 2.Hangzhou Kegong Electronic Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310012,China) Abstract:This paper designed a quick energy transfer type equilibrium system of lithium batteries,which adopts the equilibrium module of half bridge type dual DC—DC transfer circuit,based on the control of voltage,SOC and SOH equilibrium strategy,to transfer energy from the battery with high energy to one with low energy in lithimu iron phosphate batteries.Finally,the whole set of batteries has the approximate voltage and SOC.A prototype was done and tested.The results show that this equilibrium system has expected effect. Key words:energy transfer type equilibrium;lithium iron phosphate batteries;half-bridge dual DC- DC;equilibrium strategy 0 引 言 磷酸铁锂电池具有高比能量、低自放电率、较 1 电池均衡系统总体设计 1.1均衡目标 高的单体电池电压、长寿命、安全环保等优势 J, 已广泛用于通信、航空航天、航海、电动汽车、储能 电池组客观存在不一致性,为了提高整组电 池的能量利用率,必须使用均衡电路实现对电池 的均衡。串联电池组的最大可用容量不仅与组内 所有单只电池的最大可用容量有关,还与各只电 池所处的能量状态密切相关。串联成组后,电池 组的最大可用容量小于等于组内容量最小电池的 容量。因此,为了实现电池组可用容量和能量最 大化,电池组的均衡目标为:既要实现容量最小电 电站和不间断电源等诸多场合 引。实际使用 时,磷酸铁锂电池组因各单体电池性能不一致,导 致电池组性能低于单体电池,甚至危及系统安 全l4 J。为了提高单体电池一致性和降低系统安 全风险,本文设计出一种基于电池能量状态的均 衡方案,试验证明该方案可有效消除电池组能量 不均衡状态,改善电池组的充放电特性。 池的充满电和放完电,又要让电池组中所有单体 柳李一丹(1988一),女,工程师,主要从事新能源发电并网、电力电子技术研究。 强(1981一),男,高级工程师,博士,主要从事新能源发电并网、储能技术应用研究。 70— 电器与能效管理技术(2017No.5) 当VT1处于导通状态时,电池B2电压 .全 部加到电感 上,电感电流i,线性增长,电能以 磁场能的形式存储在电感 中,二极管VD1截 止,输出负载由电容C,供电。当VT1关断时,电 感电流i 通过二极管向输出侧流动,电池B2的 电能和电感 的储能向负载和输出电容C,转移, 从而给C 充电。此时加在电感,J上的电压为 一 。,因U <U ,通过电感,J的电流i .线性减小。 因此通过调整VT1的占空比,可以改变输出电压 的大小。 (2)降压工作模式。在这种模式下,功率开 关VT2以恒定的开关频率、PWM方式工作,VT1 截止,工作电路如图4所示。开关管VT2导通 时,电池组电压 全部加到二极管VD2、电感 和输入电容C 上,故二极管VD2截止。由于输 人电容电压保持不变,因此加在电感 上的电压 为 一 。。因U >U ,故电感电流i 线性增长, 电池组电能以磁场能的形式存储在电感 中,并 同时对B7充电。当V,r2关断时,电感电流i 通 过二极管VD2续流,此时加在电感 上的电压为 一U ,电感 电流i, 线性减小,电感 的储能向电 池B7转移。因此,通过调整VrI12的占空比,可以 改变电压 。和电感电流i, 的大小。 lf II, .1. ;C2 = = I vD2 L L (a)VT2导通 (b)VT2关断 图4降压模式电流流向图 3 锂电池均衡策略 3.1 电池组不均衡性评价 通过对动力电池组的循环充放电试验可知, 动力电池组的不一致性包括外在特性参数不一致 和内部性能参数不一致两种情况,具体表现在单 体电池之间的参数特性,如电池端电压、SOC、 SOH、内阻等差异。其中端电压容易测量,而且是 单体电池间能量差异的直接反映,因此本文所述 均衡系统以电池端电压为首要控制参数。 72一 ・储能技术・ 以容量定义的SOH可用下式表示: SOH= L ×100% (1) 式中: C…——电池当前状态下满充电后的最 大可用容量; C ——标准充放电状态下电池的额定 容量; 矗——电池当前状态换算至标准状态 满充电后的最大可用容量的修 正系数。 对于同一组电池而言,为保证一致性电池成 组时已选用同类型,且出厂时为同一批的电池,电 池工作时也是相同环境下相同电流充放电,因此 在电池问比较时可以将k和C 作为常数处理。r 单体电池SOH的差异仅取决于C…。根据文 献[10]得到,电池SOH大小与电池欧姆内阻R 有关,而尺可以通过电路中电流突变时的瞬时电 压变化来计算。 根据电池SOC定义,充放电过程中SOC为 t SOC(t)=SOC0+: 一 (2) 乙max 式中:SOC(t)——电池从充放电开始计时经历 时间t时亥0的SOC值; SOC ——电池在开路状态的SOC值; ——充放电电流; 实际充放电时问。 电池组工作时电流,和经历时间t对于各单 体电池而言是相同的,因此单体电池间SOC相对 大小的比较可以通过比较C…和SOC。得到。 试验测得磷酸铁锂电池开路电压与SOC关 系曲线如图5所示。 图5磷酸铁锂电池ocv—SOC曲线罔 取得开路电压(OCV)值后,SOC可以利用该 ・储能技术・ 电器与能效管理技术(2017No.5) 曲线通过查表和插值法获得。本文用开路电压法 与电量积分法相结合估算电池SOC,在电池充满、 3.2均衡判断条件及控制策略 为了取得电池组均衡判断条件,按以下步骤 放空以及开路时对SOC进行修正,以消除误差, 提高估算精度。 为了衡量动力电池组总体一致性情况,定义 0表示单体电池能量状态,根据式(1)、式(2)将 处理数据: (1)主控MCU根据实时采集的电压、电流数 据和历史SOC数据,分别计算出每节电池的 、 SOC 和R ; 其表示为 0= U,SOC(f),R) (3) 0为U、SOC、R的函数,用于表征电池组单体间不 均衡状态。对于几节电池串联组成的电池组,每 节电池的能量状态: 0 = U ,SOC ,R ) i=1,2,3,…,n(4) r ( 一 ) ( 一 ) A=I(SOC1一SOCp) (SOC2一SOCP) L (R。一R ) ( 2一R ) (4)因m,p和q可能不同,单独按照3个变 量的优先级来先后执行均衡,均衡效率不能达到 最高,因此需要找出1节或2节电池作为目标来 执行均衡操作。因此将矩阵A做如下处理得到 变量K的最小值 i ,根据该值可得到对应的电 池节号,即电池Brain,均衡的执行与否以该电池 参数为参照。 K =min(A 1+A 2+Ad)i=1,2,3,…,n (6) (5)计算每个电池与节号为min的电池之间 的距离,即 diV-( — ) +(SOC —SOC ) +(尺 —RIIli ) (7) 得到数组D=[d。,d ,d ,…,d i ,…,d ],将 D中元素按从大到小排序,均衡优先级顺序遵从 该排序。 (6)然后将SOC高于第min号电池进行均 衡放电,SOC低于第min号电池进行均衡充电,直 至该电池与SOC差距在6%以内停止对该电池均 衡。最后根据电压 对电池进行均衡,直至其他 电池与第min号电池压差在20 mV以内。 (7)此外,为了整个系统安全,均衡时采用恒 定电流、恒定频率进行,完成一次均衡后检测电池 状态,满足开启条件再进行下一次均衡;当出现温 度、电流或电压异常,系统停止均衡;在电池组 SOC≤10%或SOCI>90%时,系统停止均衡,以保 (2)针对每类参数进行由低到高的顺序排 序,分别得到3个关于U、SOC和R的一维数组, 从3个数组中分别找出3个中位数U 、SOC 和 。,同时得到对应电池节号m、P和q; (3)在每个数组中分别计算每节电池到m q号电池的距离,然后处理成以下形式的矩阵A; ( 一 ) … ( 一Um) ] (SOC3一SOCP) …(SOC 一SOC ) I (5) (尺 一R ) … (尺 一尺 ) J 证电池安全。 均衡控制程序流程如图6所示。 图6均衡控制流程图 系统起动后,均衡控制程序开始运行,首先对 测量模块功能芯片的端口和寄存器等进行初始化 操作。系统初始化完成后进入主循环,主循环中 首先进行电池状态检测,包括电池电压、温度、均 73— 电器与能效管理技术(2017No.5) 衡电流和充放电电流;然后对采集到的数据进行 处理,依据对数据的处理结果,判断电池组均衡状 态,是否需要均衡,并判断均衡开启的判断条件: 电池SOC和工作电压,在满足条件的情况下开启 均衡,至此完成了电池组均衡模块的整个工作流 程。完成上述操作后,再进入下一次循环,如此循 环至达到均衡结束条件。 4测试结果及分析 本文对均衡电路和控制算法进行了试验验 证。将18节储能用100 Ah磷酸铁锂电池依次串 联组成电池组,均衡电路制作成样机,4节电池 共用1个均衡模块,共5个均衡模块,烧录控制程 序后,连接至后台电脑。首先通过一定方法将 单体电池不一致性扩大,然后在搭建的试验平台 上进行了电池均衡测试,验证该均衡系统的有 效性。 4.1均衡模块双向工作时电压输出波形分析 当单体电池需要进行放电均衡时,将单体 电池能量释放到电池组,均衡模块的均衡电路 工作在Boost模式,该电路工作过程的电压波形 如图7所示。本试验中占空比为0.9,输入电压 为3.3 V,输出电压稳定在14.5 V,均衡电流为 3 A / 图7 均衡电路工作在升压模式输出电压波形 当单体电池需要进行充放电均衡时,将单体电 池能量释放到电池组,均衡模块的均衡电路工作在 Buck模式。该电路工作过程的电压波形如图8所 示。本试验中占空比为0.32,输入电压为l3.2 V, 输出电压稳定在3.3 V,均衡电流为3 A。 4.2均衡过程中电池组体电压变化分析 均衡过程中电池组单体电压随时间变化曲线 74....—— ・储能技术・ /^\ } \ 0 f 图8均衡电路工作在降压模式输出电压波形 如图9所示。由图9可见,均衡开启前后电压随 之波动,最后电池单体电压趋向一致。均衡电流 相对于电池容量偏小,致使整个电池组各个电池 间达到能量平衡耗时较长。电池组单体电压均衡 前后对比如表1所示。从表1中数据可见,均衡 前后电池组单体电池电压极差从527 IllV下降到 18 mV,体现了该均衡系统的有效性。 图9均衡过程中电池组单体电压变化曲线 4.3 均衡前后电池组单体SoC变化分析 为了验证均衡策略执行的有效性,将主控单 元实时保存数据导出,对均衡前后单体电池SOC 变化列成表2。由表2可知,均衡前SOC极差为 8%,均衡后SOC趋于一致。 根据以上分析可知,本文所提出的均衡控制 系统能够实现电池组的能量均衡,均衡模块能够 在主控单元控制下有效平衡电池组单体电池的电 压和SOC,说明该均衡系统的均衡电路和均衡策 略是有效的。 5 结 语 本文针对磷酸铁锂电池组的单体电池性能不 一致问题,提出了一种均衡控制方案,包括半桥型 ・储能技术・ 电器与能效管理技术(2017No.5) 表1均衡前后电池组单体电压对比数据表 电池 序号 1 2 3 4 5 6 均衡前 电压/V 2.81O 2.999 2.883 2.636 2.64_4 2.804 均衡后 电压/V 2.978 2.994 2.978 2.978 2.977 2.978 电池 序号 7 8 9 10 l1 l2 均衡前 电压/V 2.676 2.815 2.787 2.977 2.68l 2.818 均衡后 电压/V 2.978 2.978 2.977 2.995 2.977 2.977 电池 序号 13 14 15 16 17 l8 均衡前 电压/V 2.686 2.852 2.734 2.771 3.156 3.163 均衡后 电压/V 2.977 2.978 2.977 2.977 2.994 2.994 表2均衡前后电池组单体SOC对比数据表 电池 序号 1 均衡前 SOC/% 2.31 均衡后 SOC/% 6.18 电池 序号 7 均衡前 SOC/% 0 均衡后 SOC/% 6.18 电池 序号 13 均衡前 SOC/% O.O3 均衡后 SOC/% 6.17 2 3 4 6.33 4.32 0.20 6.3l 6.18 6.18 8 9 l0 2.45 1.71 6.17 6.18 6.17 6.31 14 l5 16 3.48 O.57 1.32 6.18 6.17 6.17 5 6 0.1l 2.15 6.17 6.18 11 12 O.0l 2.53 6.17 6.17 17 18 7.69 8.47 6.31 6.3l 双向均衡DC/DC模块和基于电压、SOC和SOH 源发电中典型应用及技术走向[J].电器与能效管 理技术,2016(14):9-14. [6] 来小康,闫涛,刘志波,等.主动配电网中储能变流 的均衡控制策略。测试结果表明本方案是行之有 效的,适用于大容量储能电池的快速均衡。 器控制策略综述[J].电器与能效管理技术,2016 【参考文献】 [1]VENKATASETrY H V,JEONG Y U. Recent advances in lithium--ion and lithium--polymer batteries (14):15-21. [7] CAO J,NigelSchofield,AliEmadi.Battery Balancing Methods:A Comprehensive Review[C]//IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference,2008:1.6. [C]//Proc.17th Annul Battery Conf.Applications and Advances,2012:173-178. 王志浩,宋绍剑.基于双层结构的锂电池 [8] 林小峰,主动均衡控制系统[J].电子技术应用,2016,42 (1):119—122. [2]LUKIC S M,CAOFOR A A,BANSAL R C,et a1. Energy storageications[J].Industiral Electronics, IEEE Transactions on,2008,55(6):2258—2267. [9] 简文字,周金治,张惠玲.一种基于开关技术的锂 电池组均衡方法及实现[J].电源技术,2014,38 (4):644—646. [3]蔡旭,李睿.大型电池储能PCS的现状与发展 [J].电器与能效管理技术,2016(14):1-8. [4]HUANG W X,QAHOUQ J A.An online battery impedance measurement method using DC/DC power 徐玮,沈丹.锂离子电池内阻辨识及其在 [10] 魏学哲,寿命估计中的应用[J].电源技术,2009,33(3): 217—220. convener control[J].Journal of Industrial Electrics, 2014(11):5587-5595. 收稿日期:2016—11—21 [5] 李建林,靳文涛,惠东,等.大规模储能在可再生能 —75—