于連勇

摘? 要：電能是現(xiàn)代社會(huì)的主要能源之一，隨著社會(huì)的快速發(fā)展對(duì)于電能的需求也在不斷的增強(qiáng)。電池是移動(dòng)儲(chǔ)能的重要載體，在現(xiàn)代社會(huì)有著諸多的應(yīng)用。手機(jī)、筆記本電腦等都需要大量的優(yōu)質(zhì)電池?，F(xiàn)代新能源汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)于高性能電池的需求也在逐年增加，現(xiàn)今的大容量?jī)?chǔ)能電池多采用的是電池組串聯(lián)的方式構(gòu)成，但是由于各電池性能的差異致使其在充放電的過(guò)程中容易出現(xiàn)過(guò)充、欠充等問(wèn)題。文章在分析電池組充放電過(guò)程中所存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上提出了一種級(jí)聯(lián)H橋儲(chǔ)能變流器平衡策略。

關(guān)鍵詞：高壓大容量電池;H橋儲(chǔ)能變流器;電池組;充放電

中圖分類號(hào)：TM910 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）18-0143-02

Abstract： Electric energy is one of the main energy sources in modern society， and the demand for electric energy is increasing with the rapid development of society. Battery is an important carrier of mobile energy storage， which has many applications in modern society. Mobile phones， laptops and so on all need a lot of high-quality batteries. The demand for high-performance batteries in modern new energy vehicle industry is also increasing year by year. Today's large-capacity energy storage batteries are mostly composed of batteries in series. However， due to the differences in battery performance， it is easy to overcharge， undercharge and other problems in the process of charge and discharge. Based on the analysis of the problems existing in the charge and discharge process of the battery pack， a balance strategy of cascaded H bridge energy storage converter is proposed in this paper.

Keywords： high voltage large capacity battery; H bridge energy storage converter; battery pack; charge and discharge

前言

高壓大容量電池應(yīng)用較多，出于成本考慮在高壓大容量電池的制作上主要采用的是由大量的單體小容量電池并聯(lián)形成電池組，而后再將電池組按照一定的順序串聯(lián)而成。通過(guò)這一方式所制成的高壓大容量電池盡管成本大為降低但是存在著高壓大容量電池內(nèi)各電池組一致性較差的問(wèn)題。這一問(wèn)題在充放電的過(guò)程中表現(xiàn)的尤為明顯。本文針對(duì)這一問(wèn)題提出了一種新型的H橋儲(chǔ)能變流器均衡控制法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其良好的高壓大容量電池均衡控制性能。

1 級(jí)聯(lián)H橋儲(chǔ)能變流器結(jié)構(gòu)原理

高壓大容量電池由眾多的單體電池所組成，電池組在充放電過(guò)程中所出現(xiàn)的電池組參數(shù)、荷電狀態(tài)不一致的問(wèn)題將會(huì)對(duì)電池組的使用壽命造成極大的影響。為解決這一問(wèn)題，研究并提出了級(jí)聯(lián)H橋儲(chǔ)能變流器均衡控制策略。由H橋子模塊級(jí)聯(lián)所構(gòu)成的H橋儲(chǔ)能變流器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于電池組充放電性能的優(yōu)化。但是需要注意的是由于H橋儲(chǔ)能變流器中含有較多的子模塊，各子模塊使用如不加以控制將無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的功用。為解決這一問(wèn)題需要研究并應(yīng)用H橋儲(chǔ)能變流器子模塊平衡控制策略，用以控制H橋儲(chǔ)能變流器各子模塊之間的平衡。本文基于H橋儲(chǔ)能變流器提出了一種均衡控制策略，其主要采用的是增設(shè)虛擬子模塊用以在滿足網(wǎng)側(cè)功率需求的基礎(chǔ)上完成對(duì)于電池組SOC平衡的控制，此外，H橋儲(chǔ)能變流器依靠排序算法與最近電平逼近法保障橋臂內(nèi)各子模塊的獨(dú)立性，通過(guò)這一方式確保電池組的充放電下能夠獲得良好的特性曲線，在降低因一致性問(wèn)題所導(dǎo)致的電池?fù)p耗的同時(shí)，提高電池組的使用效率。

級(jí)聯(lián)H橋儲(chǔ)能變流器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包含有N個(gè)H橋子模塊，各子模塊之間采用的是級(jí)聯(lián)連接，并在級(jí)聯(lián)的子模塊首尾兩端加裝電感用以連接電網(wǎng)。從圖1中可以看出H橋儲(chǔ)能變流器中的各子模塊采用的是電容與開關(guān)管串聯(lián)的方式，通過(guò)這一連接方式可以通過(guò)直接改變開關(guān)管的開關(guān)用以對(duì)H橋儲(chǔ)能變流器子模塊的電容電壓進(jìn)行調(diào)整，電容電壓的改變將連帶電池組組感電流的改變并最終影響電池組輸出功率的大小。開關(guān)管的斷開將使得電池組處于冗余狀態(tài)， H橋儲(chǔ)能變流器中所采用的子模塊為虛設(shè)子模塊。在電池組充放電狀態(tài)下，采用H橋儲(chǔ)能變流器進(jìn)均衡控制時(shí)， H橋儲(chǔ)能變流器子模塊的充放電狀態(tài)將依據(jù)橋臂電流方向所轉(zhuǎn)變，即開關(guān)管閉合時(shí)H橋儲(chǔ)能變流器子模塊的輸出電壓與橋臂電流方向并不同向，橋臂電流流向方向?yàn)镠橋儲(chǔ)能變流器子模塊電容的正極，在這一狀態(tài)下H橋儲(chǔ)能變流器子模塊電容將進(jìn)行充電，而當(dāng)開關(guān)管閉合時(shí)這一H橋儲(chǔ)能變流器子模塊的狀態(tài)將與上述狀態(tài)相反，橋臂電流流向?qū)⒅赶騂橋儲(chǔ)能變流器子模塊電容的負(fù)極，在這一狀態(tài)下H橋儲(chǔ)能變流器子模塊電容將放電。結(jié)合電路可以對(duì)H橋儲(chǔ)能變流器子模塊中的電流狀態(tài)建立起函數(shù)模型，通過(guò)模型計(jì)算分析后可以看出H橋儲(chǔ)能變流器子模塊電容可以看作為網(wǎng)側(cè)和電池組能量交換之間的中介，在網(wǎng)側(cè)功率一定的情況下橋臂內(nèi)各電池組的輸出功率與網(wǎng)側(cè)功率相等，此外，在H橋儲(chǔ)能變流器子模塊與網(wǎng)側(cè)進(jìn)行功率交換時(shí)，功率交換的部分主要集中在直流分量和二倍頻分量上。在進(jìn)行電流量計(jì)算時(shí)，假設(shè)電池組端的電壓中僅僅含有直流分量，而根據(jù)計(jì)算公式由直流分量和二倍頻分量的波動(dòng)將引起H橋儲(chǔ)能變流器子模塊出現(xiàn)相應(yīng)的波動(dòng)變化，這些功率波動(dòng)變化主要集中在H橋儲(chǔ)能變流器子模塊內(nèi)部，不會(huì)傳導(dǎo)至網(wǎng)側(cè)，從而避免了網(wǎng)側(cè)受到直接的影響。

電池組在充放電模式下的SOC均衡控制流程如下：控制方案中首先就電池組的SOC進(jìn)行獲取，在獲取電池組中各單體電池端電壓的同時(shí)繪制電池組SOC平均充放電曲線，在完成電池組充放電電壓電流計(jì)算的基礎(chǔ)上完成電池組充放電初始功率的計(jì)算。而后，依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)處于充電狀態(tài)下電池組中單體電池的SOC進(jìn)行從小到大的排序記錄，根據(jù)橋臂上的電流方向完成SOC初始功率的逐次累加，通過(guò)對(duì)功率階梯與輸出功率指令進(jìn)行對(duì)比用以對(duì)電池組的工作狀態(tài)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，根據(jù)所計(jì)算對(duì)比后的結(jié)果求取非冗余狀態(tài)下電池組的矯正功率。從上述計(jì)算結(jié)果可知，在采用H橋儲(chǔ)能變流器子均衡控制策略時(shí)各電池組的輸出功率的一致性要求并不高，在電池組SOC一致性的維持上可以采用疊加補(bǔ)償?shù)姆绞綄㈦姵亟M的輸出功率維持在一個(gè)較為可控的區(qū)間范圍內(nèi)，通過(guò)與非冗余狀態(tài)下電池組的SOC與平均值相比較求取兩者之間的差值，將SOC的比較差值用于電池補(bǔ)償功率的計(jì)算獲取所需要的控制變量。一般來(lái)說(shuō)，電池組的容量是一致的，由于SOC的比較差值為0，功率的補(bǔ)償值為0，這意味著電池組輸出功率在H橋儲(chǔ)能變流器子均衡策略的補(bǔ)償下將不改變對(duì)外輸出功率。而當(dāng)各電池功率差異較大時(shí)，則H橋儲(chǔ)能變流器均衡策略將會(huì)根據(jù)SOC和Q的差異值計(jì)算所需要補(bǔ)償?shù)墓β省?/p>

2 H橋儲(chǔ)能變流器子模塊電壓平衡控制策略

當(dāng)切除電池組時(shí)，H橋儲(chǔ)能變流器子模塊如若同樣處于切除狀態(tài)時(shí)將會(huì)導(dǎo)致H橋儲(chǔ)能變流器的電平數(shù)相應(yīng)的下降，進(jìn)而導(dǎo)致變流器的并網(wǎng)波形質(zhì)量下降，而當(dāng)電池組工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變回非冗余狀態(tài)時(shí)H橋儲(chǔ)能變流器子模塊還需要再次進(jìn)行充電，這一循環(huán)往復(fù)的方式將會(huì)對(duì)動(dòng)力電池組充放電系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生極為不利的影響。總之， 當(dāng)電池組輸入子模塊電容功率與子模塊電容輸出功率產(chǎn)生偏差值時(shí)，子模塊電容電壓將會(huì)隨之產(chǎn)生直流分量的波動(dòng)，這一波動(dòng)與輸出功率的偏差值成正比。因此，通過(guò)相應(yīng)的算法可以控制開關(guān)管的投切次序，將電池組子模塊電容電壓控制在一個(gè)較為平穩(wěn)的區(qū)間范圍內(nèi)，通過(guò)這一控制策略可以確保虛擬子模塊在0輸出功率的情況下與電池組和網(wǎng)側(cè)之間完成相應(yīng)的功率交換，確保網(wǎng)側(cè)電壓波形能夠具有良好的波形質(zhì)量。相較于一般的動(dòng)力電池組控制算法，H橋儲(chǔ)能變流器均衡控制策略在同樣使用外電壓環(huán)內(nèi)電流雙控控制器的同時(shí)僅僅采用了三角載波調(diào)制波的比較這一環(huán)節(jié)，減少了控制環(huán)節(jié)，提高了控制效率并降低了變流器在開關(guān)控制時(shí)的損耗。H橋儲(chǔ)能變流器控制電壓采用的是方波與PWM脈沖信號(hào)的疊加，則各子模塊電容電壓在存在偏差的同時(shí)也可以完成相應(yīng)的控制輸出，橋臂內(nèi)子模塊電容電壓能夠在較大工作范圍內(nèi)波動(dòng)用以確保橋臂內(nèi)的N個(gè)電池組能夠工作在平均充放電曲線內(nèi)。

3 高壓大容量?jī)?chǔ)能變流器電池組的平衡控制策略驗(yàn)證

為驗(yàn)證高壓大容量?jī)?chǔ)能變流器電池組的平衡控制策略的可行性，依據(jù)高壓大容量?jī)?chǔ)能變流器電池組的平衡控制策略搭建了仿真模型，仿真模型將對(duì)變流器的輸出電壓、電流、變流器內(nèi)各子模塊的電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)仿真計(jì)算出的數(shù)據(jù)可以看出在高壓大容量?jī)?chǔ)能變流器電池組的平衡控制策略應(yīng)用下當(dāng)H橋儲(chǔ)能變流器并未向網(wǎng)側(cè)端發(fā)出功率指令時(shí)，橋臂中各電池組的工作狀態(tài)均正常，而當(dāng)電池組間SOC誤差較大時(shí)，H橋儲(chǔ)能變流器將參與控制矯正電池組間的SOC異常狀態(tài)。此外，在 H橋儲(chǔ)能變流器各子模塊電容電壓波動(dòng)較大時(shí)，H橋儲(chǔ)能變流器的輸出波形仍能夠保持良好的形態(tài)，從而提高了電池充放電狀態(tài)下的電能質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

為優(yōu)化高壓大容量電池組的充放電特性需要對(duì)高壓大容量電池組充放電均衡控制方案進(jìn)行改進(jìn)。本文提出了一種高壓大容量電池組H橋儲(chǔ)能變流器平衡策略，這一策略通過(guò)增設(shè)虛擬子模塊的方式完成了在確保網(wǎng)側(cè)功率需求的前提下對(duì)各電池組能量進(jìn)行平衡控制，并依靠排序算法對(duì)橋臂內(nèi)各子模塊進(jìn)行了獨(dú)立的控制，從而使得動(dòng)力電池組能夠在充放電時(shí)可按照平均充放電曲線進(jìn)行工作，獲得了較為良好的充放電特性。

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