风力发电用锂离子电池均衡电路及策略_杨海跃.pdf

2023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计收稿日期：2022-11-4基金项目：国家重点研发计划(2018YFB0104400)；河北省电力有限公司重点科技项目(kj2021-075)作者简介：杨海跃(1982)，男，河北省人，高级工程师，主要研究方向为电网规划与运行，电池储能。风力发电用锂离子电池均衡电路及策略杨海跃1，王泽宁1，高丽娟1，李峻宇2，苏海锋3(1.国网河北省电力有限公司 衡水供电分公司，河北 衡水 053000；2.西安交通大学，陕西 西安 710049；3.华北电力大学(保定)，河北 保定 071003)摘要：对于风力发电储能，电池均衡系统需要具有简单、可靠性高、均衡电流大等优点。基于风力发电储能系统对电池均衡系统的需求，提出适用于风力发电储能系统的均衡电路及均衡策略。在均衡电路方面，使用可靠性较高且简单的开关阵列拓扑结构，利用外部电源为电池均衡，以提高电池均衡电流。在均衡策略方面，在传统电压均衡策略的基础上，增加欧姆压降补偿，推迟均衡系统关闭时间，实现更优的均衡性能。搭建了实验平台进行验证，实验结果显示，所提出的均衡电路较好地实现了均衡目标，传统均衡策略均衡电压误差约为 14 mV，所提出的均衡策略仅约 4mV，在基本不增加计算量的前提下，较好地提高了均衡系统的性能。关键词：电池均衡；均衡电路；均衡策略；风力发电中图分类号：TM 13文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)06-0800-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.06.024Balance circuit and strategy of lithium-ion battery forwind power generationYANG Haiyue1,WANG Zening1,GAO Lijuan1,LI Junyu2,SU Haifeng3(1.Hengshui Power Supply Branch,State Grid Hebei Electric Power Co.,Ltd.,Hengshui Hebei 053000,China;2.Xian Jiaotong University,Xian Shaanxi 710049,China;3.North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003,China)Abstract:For the energy storage of wind power generation,the balance system needs to have the advantages ofsimplicity,high reliability and large balance current.Based on the demand of the energy storage of wind powergeneration for the cell balance system,the balance circuit and strategy were proposed.In terms of the balance circuit,a highly reliable and simple switch array topology was used,and an external power supply was used for cell balancingto improve battery balancing current.In terms of the strategy,based on the traditional voltage balancing strategy,theohmic voltage drop compensation was added to delay the shutdown time of the cell balance system to achieve betterperformance.An experimental platform was built for verification.The experimental results show that the proposedbalancing circuit can achieve the cell balance goal.The voltage error of the traditional balance strategy is about 14mV,while the voltage error of the proposed strategy is only about 4 mV,so it can improve the performance of the cellbalance system without increasing the amount of calculation.Key words:cell balance;balance circuit;balance strategy;wind power generation储能技术可以较好地缓解风力发电受环境影响导致发电不稳定的缺点1。其中，锂离子电池因其优异的性能获得了广泛应用2，但是单体锂离子电池电压较低，容量较小，通常需要将其串并联使用，而在使用过程中，电池均衡是关键技术之一3-5。目前电池均衡技术主要分为被动均衡和主动均衡，被动均衡技术由于自身原理限制，一般应用于小容量电池场合6，主动均衡技术则更多地应用于大容量电池场合7，主动均衡技术有很多种，包括但不限于利用电容电感实现能量转移8，利用 DC-DC变换器实现能量转移9，但它们的核心技术是通过电子元器件实现电池间能量的转移10-13。在均衡策略方面，目前电池均衡的指标一般是电池端电压14，虽然有学者提出使用电池荷电状态(SOC)为指标可以达到更好的均衡效果，但是该方法需要估算电池组中所有电池的SOC，这明显不切实际。所以通用的方法是当电池间端电压之差达到阈值时，开启均衡，而当电池间端电压之差小于设定阈值时，关闭均衡。这种均衡策略非常简单，而且可以取得较为不错的均衡效果，但依然存在一定的不足。为了解决其不足，文献15和文献16取得了一定的效果，但是较为复杂。相较于其它储能方式，风力发电储能往往会配容量较大的锂离子电池，而基于此，对于电池均衡系统来说，需要提供更大的均衡电流，以提高电池均衡速度，保证锂离子电池组长期处于均衡状态。并且，为保证储能系统的可靠性，需要均衡系统更加简单。故风力发电储能对均衡系统的要求是8002023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计简单且均衡速度快。本文基于风力发电储能的实际需求，提出一种适用于风力发电的均衡电路以及控制策略。该均衡电路非常简单，并且可以提供较大的均衡电流，在均衡策略方面，在传统电压均衡策略的基础上稍加改进，通过增加可以忽略不计的计算量，较好地提高其效果。1 均衡电路分析1.1 均衡电路拓扑结构本文所提出的均衡电路拓扑结构如图 1所示。由图 1可知，本文所提出的均衡电路由均衡开关、方向开关以及均衡电源所组成。均衡开关中，开关 K2到开关 Kn都是可以被复用的，例如开关K2和开关 K1可以进行组合，为电池 B1提供均衡通道，也可以和开关 K3组合，为电池B2提供均衡通道，通过对开关进行复用，可以较好地减少需要用到的开关数目。方向开关由 4 个开关组成，它的作用就是控制 A 点与 B点的极性，当开关K1和开关K2闭合时，A点的极性为“”，B点的极性为“”，此时方向开关 S1和 S4闭合，如图 2(a)所示。当开关K2和K3闭合时，A点的极性为“”，B点的极性为“”，此时方向开关S2和S3闭合，如图2(b)所示。在均衡电源方面，本文所提出的均衡电路使用外部恒流源代替，考虑到实际情况，均衡电路在工作过程中一定会有外部电源为其供电，而供电的外部电源所提供的功率一般都比较大，进而可以提供较大的均衡电流，实现电池组快速均衡的目标。1.2 工作原理分析若电池 B1电量较低，需要被均衡，则均衡开关 K1和 K2闭合，方向开关S1和S4闭合，电源将通过方向开关和均衡开关为电池B1充电，如图3所示。图 3中，不论电池组处于静置、放电还是充电状态，相较于其它电池，由于始终由电源在为电池 B1 充电，电池 B1 的SOC与其它电池的SOC之差将会逐渐减少，而减少的SOC之差SOCs如式(1)所示：(1)式中：Q为电池B1的容量；为电池的充放电效率；I为电源为电池充电的充电电流。若电池 B2 的电量较低，需要被均衡时，均衡开关 K2 和K3闭合，但与图3不一样的是，方向开关S2和S3闭合，如图4所示。图 4 中，由于方向开关的作用，A 点的极性为“”，而 B点的极性为“”(图3中A点的极性为“”，而B点的极性为“”)，这就使得电源的负极通过开关K3与电池的负极相连，而电源的正极通过开关 K2与电池的正极相连，进而由电源为电池进行充电。1.3 均衡电路优点分析1.3.1 电路结构简单，可靠性高本文所提出的均衡电路只使用了 N+1+4 个开关(N 为电池串联数)，所使用的均衡电源则是通过外部电路提供的恒流源，其简单程度以及可靠性可以与被动均衡电路相媲美，适图1均衡电路拓扑结构图图2方向开关作用示意图图3对电池B1均衡示意图01()dtsSOCI ttQ=图4对电池B2均衡示意图8012023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计用于风力发电储能等场合。1.3.2 均衡电流大，均衡速度快目前通用的均衡电路，由于电子元器件体积、散热等因素，均衡电流往往很难做得很大，而本文所提出的均衡电流类似于通过开关的动作为不均衡的电池提供“充电”通道，而由于其能量是由外部电路提供，电池管理系统(BMS)控制板上只有开关，故理论上可以根据需求调整均衡电流大小。对于由大容量电池组成的电池组来说，可以极大地提高均衡速度。2 均衡策略2.1 传统策略不足为便于分析，需建立锂离子电池的等效电路模型，如图5所示。图5中，R为电池的欧姆电阻，Rp和Cp为电池的极化内阻和极化电容，U为电池端电压。由基尔霍夫定律可得式(2)：(2)式中：Up为电池极化电压。由式(2)可知，电池的端电压 U受到电池 SOC(UOCV)、充放电电流、欧姆电阻以及极化电压的影响。假设有电池 B1(电压最高)和电池 B2(电压最低)，其端电压UB1和UB2分别如式(3)和式(4)所示：(3)(4)判断电池是否均衡的指标一般是电池电压。对于传统的控制策略，当电池组中最高电压与最低电压之差大于设定的阈值时，电池组启动均衡，直至两者电压相等。但由于均衡的特性，电流IB1和IB2满足式(5)：(5)图 6为放电电流不同时，电池端电压变化图。在约 10 s时，电池端电压出现陡然下降的情况，如式(2)所示，这主要是欧姆压降(IR)电压，而 10 s 后的电压下降则主要是电池 SOC下降以及极化电压所导致的电压降。由式(3)(4)可知，由于电流 IB2大于电流 IB1，当电池 B1和电池 B2端电压一样时，关闭均衡后，由于电流 IB2下降，电流IB1不变，这会使得电池B2的电压出现较大幅度的下降，导致被均衡电池(B2)并没有被较好地均衡完毕。2.2 欧姆压降补偿由于电池在成组过程中已经对电池进行筛选，可以认为电池 B1和电池 B2的参数是一致的，结合式(3)和式(4)，则可得式(6)：(6)由于均衡系统会将电池维持在基本一致的状态，并且在均衡末期，电池的 SOC 可以看作是一样的，所以电池之间的SOC差异并不会很大，故式(6)中，电池 SOC差异所导致的电压差可以忽略不计，式(6)可被简化为式(7)：(7)由于电池极化电压的大小与时间、充放电电流等因素有关，并且准确估算电池的极化电压是较为复杂的，为保证均衡策略的简单性，本文忽略极化电压的不一致，将式(7)进一步简化，如式(8)所示：(8)当 BMS 检测到电池 B1的电压与电池 B2 的电压满足式(8)时，即可结束均衡。相较于传统的均衡控制策略，该均衡控制策略中，在均衡末期，B2电池端电压会大于B1电池端电压，造成B2电池“过均衡”的假象，但事实上B2电池并没有过均衡。2.3 均衡策略优点分析相较于传统的均衡控制策略，本文所提出的均衡控制策略非常简单，它只增加了欧姆压降的补偿，对于BMS来说，只需要采集电池电压、均衡电流以及欧姆内阻，就可以很简单地对电池进行均衡控制，而在均衡效果方面，却可以获得比传统均衡策略更加优异的效果。虽然本文所提出的均衡策略使得被均衡电池出现“过均衡”，但事实上被均衡电池并没有过均衡。由于该策略非常简单，故非常适合应用于风力发电储能等场合。3 实验结果分析本文电池组由 3.7 V/6 Ah的钴酸锂电池组成，成组方式为 4并 6串(第一串记作 B1，第二串记作 B2，以此类推)，即其标称电压为22.2 V，容量为24 Ah。所使用的主控芯片为飞思卡尔的 MC9S12XET256 芯片，电压采集使用 LTC6804 芯片，电流采集使用分流器方案。对于均衡电源，采用5 V/5 A恒流源为其进行均衡充电。当最高电压与最低电压之差大于 20mV时，开启均衡。图7为使用本文所提出的均衡电路与传统电压均衡策略图5电池一阶RC等效电路OCVpUUIR U=-B1B1B1B1B1OCVpUUI RU=-B2B2B2B2B2OCVpUUIRU=-B2B1II图6放电电流不同时，电池端电压变化图B1B2B1B2B1B2B1B2()()()OCVOCVppUUUUIIRUU-=-B1B2B1B2B1B2()()ppUUIIRUU-=-B1B1B2B2()UIIRU=-+图7使用本文所提出均衡电路与传统电压均衡策略时，电池端电压变化图8022023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计对电池进行均衡时，电池端电压变化图。在电池组均衡过程中，除了电池B4，其它电池均处于静置状态，其电压几乎没有什么变化，而电池B4则被外部恒流源充电，使得其逐渐趋于均衡状态，证明本文所提出的均衡电路可以较好地实现电池均衡的目标。图 7中，对于传统均衡控制策略，刚开始对电池 B4进行均衡充电时，其电压出现了较大幅度的跳跃，这是因为欧姆压降的存在，幅度约10 mV，随后电池B4的电压在逐渐上升，其端电压上升因素有两个，一个是极化电压的影响，另一个是因为其SOC在逐渐上升，使得其端电压也在逐渐上升。在约第 200 s时，电池 B4的电压已不低于电池 B5的电压，此时均衡结束。但由于电池B4没有均衡电流，其电压又出现较大幅度的下降，在约第 350 s，电池 B4的电压与电池 B5的电压差约为14 mV，与设定的均衡目标相差较大。从上述分析中可以看到，对于传统均衡控制策略，虽然其在一定程度上实现了电池均衡的目的，但是在效果上并不是非常令人满意，因为设定的均衡目标是电池B4的电压不低于电池B5的电压，而实际结果是电池B4的电压比电池B5的电压低约14 mV。图 8为使用本文所提出均衡电路与控制策略时，电池端电压变化图。与图 7不同的是，在约第200 s时，虽然电池B4的电压已不低于电池 B5 的电压，但均衡系统并没有停止均衡，在约第 200350 s 时，电池 B4的电压始终高于电池 B5的电压。在约第350 s时，均衡系统关闭。在刚撤掉均衡电流的瞬间，电池B4的电压与电池B5的电压几乎一致，而后由于极化电压的存在，两者的差值逐渐变大，在约第 550 s 时，电池B4的电压比电池B5的电压低约4 mV。由图 78可知，本文所提出的均衡电路较好地实现了电池组均衡的目的，并且电路较为简单，可靠性较高。虽然本实验的均衡电流约为0.2 C，但其实可以通过增加恒流源的限流值提高其均衡电流。本文所提出的均衡策略仅仅在传统电压均衡策略的基础上增加了很少的计算量，却较好地提高了其均衡效果。4 结论本文所提出的均衡电路可以较好地实现电池均衡的目标，并且还具有结构简单、均衡速度快的优点。所提出的均衡控制策略在传统电压均衡控制策略的基础上增加了欧姆压降补偿，在保留其简单优点的基础上，还实现了较好的均衡效果。本文所提出的均衡电路及均衡策略具有简单、可靠性高、均衡速度快的优点，在风力发电储能场合具有较好的应用前景。参考文献：1魏东辉，赵清华，于舜尧，等.一种新型双电池风力发电储能系统及控制策略J.太阳能学报，2021，42(3)：259-267.2尹荣，张昭怀，刘红锐，等.并联电池组充放电均衡器及均衡策略研究J.电源技术，2021，45(10)：1298-1302.3OMARIBA Z B,ZHANG L,SUN D.Review of battery cellbalancing methodologies for optimizing battery pack performancein electric vehiclesJ.IEEE Access,2019,7:129335-129352.4THIRUVONASUNDARI D,DEEPA K.Optimized passive cellbalancing for fast charging in electric vehicleJ.IETE Journal ofResearch,2021,25(9):1-9.5魏芃，蔡涛，朝泽云，等.电池均衡系统的分布式协同一致性控制策略J.中国电机工程学报，2021，41(3)：908-921.6NAGUIB M,KOLLMEYER P,EMADI A.Lithium-ion batterypack robust state of charge estimation,cell inconsistency,andbalancingJ.IEEE Access,2021,9:50570-50582.7QAYS M O,BUSWIG Y,HOSSAIN M L,et al.Active cellbalancingcontrolstrategyforparallellyconnectedLiFePO4batteriesJ.CSEE Journal of Power and Energy 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