基于阈值修正因子的锂电池动态均衡策略研究_彭铖.pdf
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1、2023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计收稿日期:2022-08-26基 金 项 目:国 网 湖 南 省 电 力 有 限 公 司 科 技 项 目(5216A32100A6)作者简介:彭铖(1979),男,湖南省人,高级工程师,主要研究方向为电力系统输电检修。通信作者:陈瑞珍,E-mail:基于阈值修正因子的锂电池动态均衡策略研究彭铖1,陈瑞珍2,3,王晓2,3,代文良2,3,袁超雄2,3(1.国网湖南省电力有限公司,湖南 长沙 410103;2.国网湖南省电力有限公司检修公司,湖南 长沙 410103;3.变电智能运检国网湖南省电力有限公司实验室,湖南 长沙410103)摘要:磷酸铁
2、锂电池具有能量密度大、电压平台高、无记忆性等优点,在电力工程中得到了广泛应用。但单体电池在容量、电压和内阻等方面的不一致性不容忽视。提出了一种基于阈值修正因子的锂电池动态均衡策略。对反激式均衡电路的拓扑及原理进行了分析,阐述了锂电池均衡电路原理。传统均衡技术以电池组SOC值均值为均衡中心来设置某固定值或比例的阈值,导致均衡效率不明显的问题,提出了一种带修正因子的均衡阈值动态调整方法,并通过能量转移矩阵稀疏度问题求解求得最优转移路径。最后通过搭建磷酸铁锂电池模组模型,验证了所提方法的合理性与高效性。根据仿真结果,验证所提方法能够优化磷酸铁锂电池组的均衡效果和提高锂电池组利用效率。关键词:电池均衡
3、技术;阈值修正因子;反激式变换电路中图分类号:TM 912文献标识码:A文章编号:1002-087 X(2023)03-0320-05DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.03.011Research on dynamic balance strategy of lithium battery based onthreshold correction factorPENG Cheng1,CHEN Ruizhen2,3,WANG Xiao2,3,DAI Wenliang2,3,YUAN Chaoxiong2,3(1.State Grid Hunan Electric
4、 Power Co.,Ltd.,Changsha Hunan 410103,China;2.State Grid Hunan Electric Power Co.,Ltd.,Maintenance Company,Changsha Hunan 410103,China;3.Substation Intelligent Transportation and Inspection State GridHunan Electric Power Co.,Ltd.,Laboratory,Changsha Hunan 410103,China)Abstract:Lithium iron phosphate
5、 battery has been widely used in electric power engineering due to its highenergy density,high voltage platform and no memory.However,the inconsistency of single battery in capacity,voltage and internal resistance cannot be ignored.A dynamic equalization strategy of lithium battery based onthreshold
6、 correction factor was proposed.The topology and principle of flyback equalization circuit wasanalyzed,and the principle of lithium battery equalization circuit was expounded.The traditional equalizationtechnology used the average value of the battery pack SOC value as the equalization center to set
7、 the thresholdvalue of a fixed value or proportion,which led to the problem that the equalization efficiency was not obvious.A dynamic adjustment method of the equalization threshold with a correction factor was proposed,and theoptimal transfer path was obtained by solving the sparsity problem of th
8、e energy transfer matrix.Finally,alithium iron phosphate battery module model was built to verify the rationality and efficiency of the proposedmethod.According to the simulation results,it is verified that the proposed method can optimize the balanceeffect of lithium iron phosphate battery pack and
9、 improve the utilization efficiency of lithium battery pack.Key words:battery equalization technology;threshold correction factor;flyback conversion circuit磷酸铁锂电池(简称锂电池)具有安全性较高、充放电性能优越、使用寿命长、耐高温及耐过充等优点,在电动汽车动力电池领域得到广泛应用,同时也越来越多地被应用到变电站直流系统和储能系统等领域1。然而实际应用中,锂电池组在生产过程、使用工况等条件不同2,锂电池单体间必然会存在差异,若不对这些差异进
10、行控制,单体电池间的差异性将随着时间逐步扩大,最终将引起电池组整体故障。同时,单体电池“不一致性”是制约其发展的一大原因。部分锂电池单体过充、过放会造成锂电池荷电状态(state of charge,SOC)和寿命的急剧下降,进而导致整组电池失效,存在较大安全隐患2-3。为解决锂电池单体“不一致性”,研究其均衡技术显得极为重要。目前单体电池间均衡技术以主动均衡技术为主4,由 SOC值较高的单体电池向 SOC值较低的单体电池转移电量,从而达到均衡5。根据均衡电路拓扑不同,均衡技术主要分为 DC/DC变换式、变压器式及感容式6。变压器式均衡电3202023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计
11、路拓扑较为复杂,控制元件数量过多,经济性较低7。感容式均衡技术拓扑复杂,能量利用率较低,价格偏高8。此两种均衡技术在实际工程应用中较为困难。DC/DC变换式均衡技术9与其他类型均衡技术相比,能量转移效率更高、能量转换速度更快10。因此在本文中采用基于反激电路结构的DC/DC均衡电路进行研究。现有研究中,对电池均衡策略较多考虑从SOC值判定出发。文献11中主要针对 Buck-Boost均衡电路中开关频繁通断的问题,对电路进行改进。文献12根据电感特性提出了单电感串并联电池组均衡方法,分别设置启动阈值和均衡停止阈值,但是其阈值为定值。文献13以Buck-Boost电路为基础,根据单体电压差值作为均
12、衡控制信号,将其差值与设定的阈值进行对比。文献14-15采用基于SOC主动均衡方法,根据单体电池SOC与电池组的SOC平均值差值与设定阈值进行对比实现均衡。文献16-17提出了主动均衡策略,在文献16中提出了利用开路电压和SOC的双阈值控制方法,能够在充放电速度不变的情况下,提升充电精度。而文献17提出了三阈值控制方法。相比于传统方法,设置三个阈值将SOC偏移量进行分区控制,在一定程度上,提高了均衡效率。从现有研究中发现,虽有较多学者对均衡策略进行了研究,以SOC值作为均衡指标,但都将其与设定的阈值定值进行对比。虽然在一定程度上能够提高均衡效率,但定值阈值法无法充分发挥电池均衡潜力,还存在一定
13、的提升空间。因此,本文在反激式变换电路的基础上,针对传统阈值存在的问题,提出一种带阈值修正因子的锂电池动态均衡策略,对充、放电过程中单体电池两端电压数据实时采集、控制,根据电量初始值对均衡中心点动态求解,实时控制单体电池间电量转移方向,可以提高均衡准确性。通过实验电路验证该策略的有效性。1 带反激变换器的均衡电路拓扑反激变换电路属于电气隔离型DC/DC变换电路,具有高可靠性、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升/降范围宽、易于多路输出等优点,因此,反激交换器是中小功率开关电源理想的电路拓扑。此种拓扑广泛应用于高电压、小功率场合,电路拓扑如图1所示。基于反激电路结构的DC/DC均衡电路结构由若干个
14、单元串接组成,每个单元包括两层嵌套结构,外围回路由变压器电感LT和一个MOS管组成,主要功能是向外释放电能;内圈回路由变压器电感LR、续流二极管D、滤波电容C以及MOS管组成,工作时吸收外围回路释放的能量。同时,不同变压器间存在一个用于能量传递的公共铁芯,电路中 MOS 管的通断由PWM控制器控制。图2为该反激变换器工作原理图。在变换器一个工作周期 T内,MOS管 K1导通时,单体锂电池 B1向变压器原边充电,此时 B2充电回路关断。当 MOS管 K1关断时,B2充电回路导通,变压器副边存储的电能释放到 B2,通过这个过程,实现单体锂电池间的能量转移。在实际工程中,往往设置 B1为电量较高的锂
15、电池,B2为电量较低的锂电池,由此实现电量均衡。2 基于动态阈值均衡优化策略的锂电池均衡控制方法2.1 传统均衡阈值设置方式不同单体锂电池间存在诸多特性方面差异,如端电压、内阻、放电率、容量等,如果在使用过程中不对这些差异加以控制,它们之间的“不一致性”将越来越严重,损害整体电池组的性能,甚至引起电池燃烧、爆炸等危害,严重降低供电安全性、可靠性10,当单体电池SOC值超过设定阈值时,可主动对电池组采取电量均衡措施,以减少“不一致性”带来的负面影响。传统均衡技术以电池组 SOC 值均值为均衡中心设置阈值,阈值通常为某固定值或比例7。如某n节电池单体组成的电池组串的SOC值为Qi(i=1,2n),
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