储能用锂离子电池修复系统_吕杰.pdf
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1、第 53 卷 第 3 期2023 年 6 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.3Jun.,2023作者简介:吕 杰(1984-),女,河南人,中国科学院广州能源研究所副研究员,博士,研究方向:储能系统控制技术;宋文吉(1978-),男,山东人,中国科学院广州能源研究所研究员,研究室副主任,博士,博士生导师,研究方向:规模储能系统,通信作者;陈明彪(1985-),男,广东人,中国科学院广州能源研究所助理研究员,博士,研究方向:电池热管理;冯自平(1968-),男,宁夏人,中国科学院广州能源研究所研究员,研究室主任,博士,博士生导师,研究方向:先进储能。DOI:10.195
2、35/j.1001-1579.2023.03.016储能用锂离子电池修复系统吕 杰,宋文吉,陈明彪,冯自平(中国科学院广州能源研究所,中科院可再生能源重点实验室,广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室,广东 广州 510640)摘要:针对目前锂离子电池在线均衡模块数量多、成本高、体积大,以及均衡控制方法相对较单一,无法满足储能系统需求的问题,开发独立式锂离子电池修复系统。采用混合式修复拓扑,开发修复系统功能模块,提出修复控制策略。一次充电修复后,电池模组充电时间延长 3.1%,充入容量提升 0.78%,电池荷电状态(SOC)差值降低 2.11%,说明独立式锂离子电池修复系统能够延长电
3、池充放电时间,减小电池之间的差异,提高充放电能力。该系统有助于降低电池使用成本,使电池组小型化和轻量化。关键词:锂离子电池;电池修复系统;电池状态监测与估算;修复控制中图分类号:TM912.9 文献标志码:A 文章编号:1001-1579(2023)03-0308-04Repair system for Li-ion battery used in energy storageLYU Jie,SONG Wen-ji,CHEN Ming-biao,FENG Zi-ping(Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sc
4、iences,CAS Key Laboratory of Renewable Energy,Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development,Guangzhou,Guangdong 510640,China)Abstract:Aiming at the issues of large number of Li-ion battery online balancing modules,high cost,large volume and relatively simpl
5、e balancing control methods,which couldnt meet the needs of the energy storage system,a stand-alone Li-ion battery repair system was developed.Hybrid repair topology was adoped to develop repair system function modules and a repair control strategy was proposed.After a single charge repair,the charg
6、ing time of the battery module was extended by 3.1%,the charging capacity was increased by 0.78%,the difference in state of charge(SOC)of the battery was reduced by 2.11%.It indicated that the stand-alone Li-ion battery repair system could prolong the charge-discharge time of batteries,reduce the di
7、fferences among the batteries and improve charge-discharge capacity.The system was helpful for reducing battery cost,miniaturization and lightweight of battery pack.Key words:Li-ion battery;battery repair system;monitoring and estimation of battery status;repair control 锂离子电池储能系统容量通常为兆瓦时级甚至数百兆瓦时级,由许
8、多电芯串并联构成电池组,采用电池管理系统(BMS)进行监控和管理1,并采用均衡模块管控电池的一致性2。由于电池数量多,需配备的电池均衡模块数量大,且均衡模块与电池组绑定,采用在线均衡控制方式3,造成储能系统体积增大,系统整体成本居高不下。由于储能系统工作过程中,电池组充放电电流倍率较小,电池之间的差异较小4,在未触发均衡条件时,均衡模块无需时刻工作。另外,目前采用的均衡控制方法较单一,通常在锂离子电池充放电过程中完成均衡5,无法综合考虑电池的均衡效率、实时调整电池充放电参数以及提高储能系统的整体能量管理效率。围绕储能系统电池管理技术存在的问题,本文作者提出独立式电池修复系统,将电池修复系统作为
9、独立于电池包的装置,电池包无须配备均衡模块。当电池之间的差异超过设第 3 期吕 杰,等:储能用锂离子电池修复系统定范围时,将独立式锂离子电池修复系统与电池组连接,对电池组进行修复管理。独立式电池修复系统可减小电池组的体积、质量和成本,有利于电池组小型化和轻量化,为解决上述电池均衡管理技术缺点提供突破口,适用于由大量锂离子电池作为储能介质的规模储能系统,亦可用于电动汽车。1 电池修复系统控制结构电池修复系统结构由电池状态监测与估算模块、修复控制模块、充放电控制模块、人机交互模块、综合数据处理模块和电源模块等组成,如图 1 所示。图 1 锂离子电池修复系统结构图Fig.1 Structure di
10、agram of Li-ion battery repair system电源模块、人机交互模块和综合数据处理模块构成上位机。电池状态监测与估算模块、修复控制模块、充放电控制模块构成下位机。电池状态监测与估算模块用于检测电池的电压、温度、电流等状态,估算电池的荷电状态(SOC),并将电池状态数据发送到综合数据处理模块。综合数据处理模块汇总电池状态信息,进行数据整合和处理,判断电池状态是否达到修复条件,如果达到,则发送修复指令给修复控制模块和充放电控制模块。修复控制模块和充放电控制模块对电池组进行修复,减小电池之间的差异。用户通过人机交互模块查询电池状态,并设置电池修复参数。上位机与下位机之间通
11、过控制器局域网(CAN)总线通讯。储能系统监控平台通过电池模组配备的 BMS 监测电池状态,并通过综合数据处理模块监测独立式电池修复系统的工作状态。多个电池模组可共用电池修复系统。2 电池修复系统主要功能模块及控制方法2.1 电池状态监测与估算模块2.1.1 电压信号采集由电容、电阻和模数转换器(ADC)等分立元器件组成的传统电池信号采集系统,存在精度低、速度慢、稳定性差等缺点。为解决上述问题,采用高集成度、高精度的 LTC6803-4电池管理芯片(美国产)监控电池的电压状态。LTC6803-4电池管理芯片包含 12 位 ADC、精确电压基准,可监控串联的12 只电池,可在 13 ms 内测量
12、 12 只电池的电压,具有无源均衡功能。采用可堆叠式结构,具有可单独寻址的串行接口,16 片 LTC6803-4 芯片可同时与一个主控芯片通讯。采用 STM32F103RBT6 芯片瑞士产,32 位进阶精简指令集机器(ARM)芯片,Cortex-M3 内核作为主控芯片,具有高性能、低成本和低功耗等优点。主控芯片配备有 3 个通用同步/异步收发传输器(USART),2 个串行外设接口(SPI),16 个 12 位 ADC,1 个 CAN 接口,128 kB 只读存储器(ROM),20 kB 随机存取存储器(RAM)以及 51 个输入/输出设备接口(I/O 口),最大频率可达 72 MHz。LTC
13、6803-4 电池管理芯片通过 SPI 总线与主控芯片通讯,主控芯片的 4 个 SPI 引脚6803_CSBI、6803_SDO、6803_SDI 和 6803_SCKI,经 5.1 k 上拉电阻(深圳产)连接到 LTC6803-4 电池管理芯片。通过跳线设置 LTC6803-4 的四位地址 A0、A1、A2、A3。电压信号测量误差小于0.2%。2.1.2 温度信号采集由于需要监控的温度点比较多,主控芯片自带的 ADC无法满足需要,采用外部电路扩展 ADC 方式。选用多路模拟开关 CD4067B(美国产)作为扩展芯片,多路模拟开关CD4067B 最多可扩展 16 个采样通道。采用 10k 热敏
14、电阻(NTC,深圳产)采集特征点温度,热敏电阻的电压经过多路模拟开关 CD4067B 发送到主控芯片,计算热敏电阻阻值。主控芯片通过多路模拟开关 CD4067B 的 A、B、C、D 引脚,切换扩展采集的通道。根据热敏电阻阻值与温度的关系,计算电池的温度。2.1.3 电流信号采集电池组的电流是估算单体电池和电池组 SOC 的基础,可采用 WP050E 霍尔电流传感器(广州产)监测。传感器的供电电压是15 V,原边电流测量范围是-5050 A,副边额定输出电压范围是 04 V。采用双路输出开关电源为传感器供电。传感器的输出电压信号,通过运算放大器电压跟随和电阻分压后,传输到主控芯片,计算当前电池组
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