安云鵬， 趙錦成， 劉金寧

(軍械工程學(xué)院車輛與電氣工程系，河北石家莊050003)

基于雙向DC/DC變換器鋰離子電池充放電控制研究

安云鵬， 趙錦成， 劉金寧

(軍械工程學(xué)院車輛與電氣工程系，河北石家莊050003)

在對(duì)已有雙向DC/DC變換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出一種適于光伏系統(tǒng)中不完全放電的鋰離子電池的兩階段充電控制策略。在Matlab仿真環(huán)境下，搭建了基于雙向DC/DC變換器的充放電仿真電路和獨(dú)立光伏系統(tǒng)整體供電電路，并在負(fù)載變化的不同條件下進(jìn)行了仿真，檢驗(yàn)了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性以及充放電控制策略的合理性。

鋰離子電池；充放電；雙向DC/DC；光伏系統(tǒng)

近年來(lái)，隨著微電網(wǎng)的發(fā)展和普及，小容量分布式電源研究受到廣泛關(guān)注[1]，尤以光伏居多。但光伏發(fā)電會(huì)受到日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等自然條件變化的影響而不能持續(xù)、穩(wěn)定地輸出電能[2]，因此無(wú)論是獨(dú)立還是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)都需要儲(chǔ)能，以改善其發(fā)電功率的不穩(wěn)定性。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要采用電池儲(chǔ)能技術(shù)，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在考慮循環(huán)使用壽命的情況下，鋰離子電池在光伏發(fā)電應(yīng)用中有較大的潛力。在微電網(wǎng)中，儲(chǔ)能裝置主要通過(guò)雙向DC/DC變換器與母線相連進(jìn)行充放電以調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率平衡。

本文在對(duì)已有雙向DC/DC變換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出一種適于鋰離子電池的兩階段充電控制策略。在Matlab仿真環(huán)境下，搭建了基于雙向DC/DC變換器的充放電仿真電路和獨(dú)立光伏系統(tǒng)整體供電電路，并在不同負(fù)載條件下進(jìn)行了仿真，檢驗(yàn)了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性以及充放電控制策略的合理性。

1 雙向DC/DC變換器

雙向DC/DC變換器是DC/DC變換器的雙象限運(yùn)行，即在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的前提下，根據(jù)需要改變電流的方向，從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)[3]。近年來(lái)隨著鋰離子電池在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，帶有雙向直流變換器的儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)能量起到調(diào)節(jié)作用。通過(guò)雙向DC/DC變換器電池既可以對(duì)系統(tǒng)能量不足進(jìn)行補(bǔ)充，又可以儲(chǔ)存盈余能量，滿足節(jié)能環(huán)保的要求，確保在不同的外界條件下系統(tǒng)都能提供相對(duì)平穩(wěn)和恒定的電能供應(yīng)。

常用的雙向 DC/DC變換器主要有雙向升降型(Boost/Buck)和變壓器隔離型全橋變換等主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，變壓器隔離型全橋式變換器由于本身開(kāi)關(guān)管數(shù)量較多，效率相對(duì)較低，功率電壓器的偏磁問(wèn)題難以解決，可靠性低，多在大功率條件下使用[4]，不適合小型獨(dú)立光伏系統(tǒng)。因此本文以非隔離單通道Buck/Boost雙向DC/DC變換器為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Buck/Boost雙向變換器拓?fù)?/p>

開(kāi)關(guān)管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)由系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，V1、V2不同時(shí)間的導(dǎo)通與關(guān)斷會(huì)使雙向變換器處于不同的工作模式。

(1)Boost工作模式：當(dāng)母線輸出電能少于負(fù)載所需能量甚至不輸出電能時(shí)，蓄電池進(jìn)行放電對(duì)負(fù)載供電，此時(shí)雙向變換器等效為一個(gè)Boost電路，如圖2所示。

圖2 Boost工作模式電路結(jié)構(gòu)

蓄電池經(jīng)過(guò)Boost電路升壓，當(dāng)開(kāi)關(guān)管V1導(dǎo)通時(shí)，蓄電池有可能會(huì)因過(guò)流而發(fā)生損壞，因此增加一個(gè)限流電阻R以保護(hù)蓄電池。但是當(dāng)V1關(guān)斷時(shí)，限流電阻又會(huì)和負(fù)載分壓，損耗一部分能量。為防止這種情況，用一個(gè)開(kāi)關(guān)與電阻并聯(lián)，并使其控制信號(hào)與V1控制信號(hào)相反，在保護(hù)蓄電池的同時(shí)又防止電能浪費(fèi)，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后Boost工作模式電路結(jié)構(gòu)

(2)Buck工作模式：當(dāng)母線輸出電能多于負(fù)載所需能量時(shí)，剩余能量即對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，此時(shí)雙向變換器等效為一個(gè)Buck電路，如圖4所示。

圖4 Buck工作模式電路結(jié)構(gòu)

2 充放電控制方法

光伏發(fā)電受日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等自然條件變化的影響不能輸出穩(wěn)定電能，為使母線電壓能時(shí)刻穩(wěn)定在目標(biāo)值，則要求儲(chǔ)能系統(tǒng)必須能夠根據(jù)不同條件自主切換工作模式并穩(wěn)定工作，而這就需要對(duì)雙向變換器進(jìn)行控制，也就是進(jìn)行電池的充放電控制。

2.1 充電控制建模仿真

當(dāng)母線輸出能量有盈余時(shí)，而蓄電池未充滿時(shí)，要求對(duì)蓄電池進(jìn)行充電控制。常用鋰離子電池充電方法主要有恒流—恒壓兩階段充電、預(yù)充—恒流—浮充三階段充電，而脈沖充電通過(guò)充電過(guò)程中短的間歇段有助于消除濃差極化，增加能量轉(zhuǎn)換效率，縮短充電時(shí)間，近幾年受到廣泛關(guān)注。在考慮所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中鋰離子電池不完全放電的情況下，取消預(yù)充電過(guò)程，并用脈沖充電代替恒壓充電，提出一種兩階段充電控制策略，即先恒流后脈沖的充電方法，在Matlab中建立模型如圖5所示。

圖5 鋰離子電池充電控制模型

恒流充電階段采用電流負(fù)反饋閉環(huán)PID控制方法，即將充電電流與給定電流值相比較生成信號(hào)，通過(guò)PID控制輸出控制信號(hào)，然后通過(guò)PWM發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)控制充電電流。當(dāng)電池荷電容量大于90%時(shí)，切換至脈沖充電階段，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 充電電流與荷電容量變化關(guān)系

2.2 放電控制建模仿真

當(dāng)母線輸出能量不足時(shí)，要求對(duì)鋰離子電池進(jìn)行放電控制，本文采用電壓負(fù)反饋閉環(huán)PID控制方法，即將變換器輸出電壓與給定母線電壓相比較生成信號(hào)，通過(guò)PID控制輸出控制信號(hào)，然后通過(guò)PWM發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)控制負(fù)載端電壓，達(dá)到給定電壓值。在Matlab中建立模型如圖7所示，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 鋰離子電池放電控制模型

圖8 放電電壓波形

3 系統(tǒng)整體控制仿真研究

為使儲(chǔ)能系統(tǒng)能及時(shí)進(jìn)行充放電以達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率平衡的目的，在對(duì)鋰離子電池充放電方式進(jìn)行單獨(dú)控制的基礎(chǔ)上，還需要根據(jù)整體系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率供需變化進(jìn)行有效地整體控制。根據(jù)前一部分雙向變換器工作模式的描述，可以明確鋰離子電池充放電整體的控制流程，如圖9所示。

圖9 充放電整體控制流程圖

當(dāng)負(fù)載功率大于光伏系統(tǒng)輸出功率時(shí)，母線電壓(48 V)會(huì)明顯降低，當(dāng)下降超過(guò)1 V時(shí)，控制放電電路導(dǎo)通，補(bǔ)充不足功率，當(dāng)蓄電池荷電容量小于20%時(shí)，停止放電。當(dāng)光伏系統(tǒng)輸出功率大于負(fù)載功率時(shí)，基于有穩(wěn)壓控制環(huán)節(jié)，母線電壓上升幅值在可以接受范圍內(nèi)，因此以兩者功率差作為控制信號(hào)控制充電電路導(dǎo)通，當(dāng)鋰離子電池荷電容量等于100%時(shí)，停止放電。基于上述控制策略，搭建仿真模型如圖10所示。

圖10 充放電整體控制模型

為檢驗(yàn)控制策略的合理性與可行性，搭建獨(dú)立光伏系統(tǒng)整體供電電路，并在負(fù)載變化的不同條件下進(jìn)行仿真。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度的條件下，改變阻性負(fù)載大小使負(fù)載功率大于光伏系統(tǒng)輸出功率，仿真結(jié)果如圖11所示。

由圖11(a)可知，當(dāng)負(fù)載功率大于光伏系統(tǒng)輸出功率時(shí)，母線電壓會(huì)明顯降低，此時(shí)鋰離子電池放電補(bǔ)充不足功率，將母線電壓抬高至目標(biāo)值48 V。而圖11(b)顯示此時(shí)電池放電電流約為20 A，也印證了這一點(diǎn)。

在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度的條件下，改變阻性負(fù)載大小使負(fù)載功率遠(yuǎn)小于光伏系統(tǒng)輸出功率，仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖12(a)可知當(dāng)負(fù)載功率遠(yuǎn)小于光伏系統(tǒng)輸出功率時(shí)，鋰離子電池吸收盈余能量，處于充電階段。而圖12(b)顯示電池荷電容量逐漸上升則直接印證了這一點(diǎn)。

圖11 系統(tǒng)整體運(yùn)行仿真結(jié)果

圖12 系統(tǒng)整體運(yùn)行功率對(duì)比與SOC變化

4 結(jié)論

本文在對(duì)已有非隔離單通道Buck/Boost雙向DC/DC變換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種適于光伏系統(tǒng)中不完全放電的鋰離子電池的兩階段充電控制策略，并搭建了基于雙向DC/DC變換器的充放電仿真電路，驗(yàn)證了充放電控制策略的正確性?；谡w控制建立了獨(dú)立光伏系統(tǒng)整體供電電路，并在負(fù)載變化的不同條件下進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載功率大于光伏系統(tǒng)輸出功率時(shí)，母線電壓明顯降低，蓄電池進(jìn)行放電補(bǔ)充不足功率抬高電壓；反之，蓄電池進(jìn)行充電，吸收盈余功率。這充分證明了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性以及整體控制策略的有效性。

[1]何越，李正天，林湘寧.微網(wǎng)分布式電源非線性功率控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(1)：48-55.

[2]郭海濱，張崇巍，張興，等.一種應(yīng)用于光伏系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器[J].電力電子技術(shù)，2010，44(6)：51-52.

[3]劉冠男，張相軍.基于超級(jí)電容儲(chǔ)能雙向DC/DC變換器控制模型分析[J].電力電子技術(shù)，2013，47(10)：81-83.

[4]許海平.大功率雙向DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其分析理論研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院，2005.

Research on control of lithium-ion battery charge and discharge based on bi-directional DC/DC converter

AN Yun-peng,ZHAO Jin-cheng,LIU Jin-ning
(Department of Vehicle and Electrical Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang Hebei 050003,China)

In the situation,a two-stages charge control strategy for the lithium-ion battery in the independent PV power system based on optimization on the circuit topology of bi-directional DC/DC already underway was presented. Moreover, the charge and discharge circuit based on bi-directional DC/DC converter and an integral independent PV power system were built with Matlab,and simulated under the different conditions when the loads change. The simulation results show the correctness of the charge and discharge circuit topology and control strategy.

lithium-ion battery;charge and discharge;bi-directional DC/DC;photovoltaic system

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)02-0208-03

2016-07-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51307184)

安云鵬(1991—)，男，山西省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⑿吐?lián)合供電系統(tǒng)能量管理與控制。