溫春雪， 臧 振， 霍振國(guó)， 李正熙

(北方工業(yè)大學(xué)北京市電力電子與電氣傳動(dòng)工程研究中心，北京100144)

基于雙向DC-DC變換器的鋰電池組充電均衡策略

溫春雪， 臧 振， 霍振國(guó)， 李正熙

(北方工業(yè)大學(xué)北京市電力電子與電氣傳動(dòng)工程研究中心，北京100144)

分析了雙向DC-DC變換器給磷酸鐵鋰蓄電池充放電的工作原理及控制策略，并進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)蓄電池在充電過(guò)程中出現(xiàn)的不均衡現(xiàn)象，分別介紹了非耗散電感均衡和單端反激變換器均衡的方法，并進(jìn)行了仿真對(duì)比，結(jié)果表明了反激均衡比電感均衡速度更快且效果更好，從而能更有效提高蓄電池的安全性及使用壽命。

磷酸鐵鋰；雙向DC-DC變換器；均衡電路；反激變換器

目前利用太陽(yáng)能和風(fēng)能的互補(bǔ)特性而建立起風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)中大多采用蓄電池作為儲(chǔ)能元件。目前常使用的是磷酸鐵鋰蓄電池，這種電池在效率、循環(huán)壽命、成本且對(duì)環(huán)境無(wú)污染等方面有均衡優(yōu)勢(shì)，除了在電動(dòng)車(chē)和大規(guī)?；瘜W(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域外，在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電新能源領(lǐng)域也必將有更廣闊的應(yīng)用[1]。蓄電池的充放電控制技術(shù)的優(yōu)劣一方面影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能，另一方面關(guān)系到其使用壽命。本文將非隔離型雙向buck/boost電路應(yīng)用到磷酸鐵鋰電池充放電過(guò)程中[2]，采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的恒流恒壓充電及恒流穩(wěn)壓放電，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，接著在蓄電池管理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上分別進(jìn)行了充電與放電實(shí)驗(yàn)。

由于蓄電池單體的電壓和容量較低，一般在系統(tǒng)中需要將大量蓄電池單體串聯(lián)成組使用，由于制造工藝、工作條件等因素不同[3]，磷酸鐵鋰蓄電池組在使用過(guò)程中，每個(gè)單體的電量會(huì)出現(xiàn)彼此不均衡的現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響到電池組的工作效率及使用壽命，因此在蓄電池組間采取均衡措施是非常必要的。本文分別介紹了采用非耗散電感均衡和單端反激均衡方法，并在蓄電池充電過(guò)程中進(jìn)行了均衡仿真驗(yàn)證，得出了反激變換器比電感均衡電路均衡速度快、效果好的結(jié)論。

1 基于雙向DC-DC變換器的蓄電池充放電系統(tǒng)

1.1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光伏、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、雙向變流器及負(fù)載組成[4]。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中的虛線(xiàn)框所簡(jiǎn)化的儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要由蓄電池組和雙向DC-DC電路組成。本文研究在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)光伏與風(fēng)機(jī)不能提供足夠功率的情況下，由儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)與負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行能量交換能否維持系統(tǒng)穩(wěn)定的情況。當(dāng)由儲(chǔ)能系統(tǒng)向負(fù)載供電時(shí)，雙向DC-DC電路工作在升壓模式，蓄電池組處于放電狀態(tài)，維持母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定；反之，蓄電池組處于充電狀態(tài)，雙向DC-DC平滑切換到降壓模式，對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流恒壓充電。工作模式的切換根據(jù)功率及母線(xiàn)電壓情況決定。

1.2 雙向buck-boost變換電路

本文采用圖2所示的非隔離型雙向buck-boost電路作為蓄電池組的充放電電路。該電路元器件數(shù)量少，造價(jià)低廉，沒(méi)有變壓器損耗，效率高，易于包裝和集成[5]。

圖2 雙向buck/boost充放電電路

當(dāng)電池組充電時(shí)，變換器工作在buck模式下，開(kāi)關(guān)管Q1以一定占空比導(dǎo)通和關(guān)斷，Q2可以關(guān)斷也可以互補(bǔ)工作，D2為續(xù)流二極管，能量由Udc流向Ub，蓄電池組吸收能量；當(dāng)電池組放電時(shí)，變換器工作在boost模式下，能量由Ub流向Udc，蓄電池組釋放能量。這樣，當(dāng)前端發(fā)電功率剩余或短缺時(shí)，通過(guò)控制兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的通斷即可實(shí)現(xiàn)蓄電池組的儲(chǔ)能或釋能，從而抑制直流母線(xiàn)電壓的波動(dòng)。

1.3 控制策略

磷酸鐵鋰電池一般采用恒流-恒壓的充電方式，在初始時(shí)先用恒定電流對(duì)電池充電，然后當(dāng)電池的電壓上升到一定值時(shí)電流減小以恒壓的方式充電，這樣既可解決恒壓充電的初始大電流問(wèn)題，又可以在一定程度上提高充電速率。電池放電電壓外環(huán)穩(wěn)定母線(xiàn)電壓，電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組放電電流的控制。因此蓄電池充放電均采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制策略?？刂瓶驁D如圖3所示。當(dāng)充電時(shí)以充電恒壓值作為電壓給定值，充電恒流值作為電流給定值，經(jīng)過(guò)雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)電池的恒流恒壓充電；放電時(shí)以直流母線(xiàn)電壓給定值與實(shí)際輸出電壓經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器得到放電電流給定，與實(shí)際放電電流比較再經(jīng)電流調(diào)節(jié)器得到輸出，經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制產(chǎn)生開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)，從而穩(wěn)定母線(xiàn)電壓。

圖3 蓄電池充放電控制框圖

2 串聯(lián)蓄電池組均衡策略

2.1 非耗散電感均衡

在串聯(lián)鋰離子電池組應(yīng)用中，一方面蓄電池組遵循“木桶原理”的最短板效應(yīng)，串聯(lián)蓄電池組不能達(dá)到充放電極限并完全釋放可用容量，另一方面串聯(lián)蓄電池組中各單體電池之間存在的不一致性會(huì)加速某些電池的容量衰減從而進(jìn)一步加劇不一致性[6]。因此對(duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行充電均衡既可以提高電池應(yīng)用效率，也能夠延長(zhǎng)電池使用壽命。目前常用的是非耗散電感均衡電路和單端反激變換器均衡電路[7]。

非耗散電感均衡電路就是在每?jī)蓚€(gè)相鄰電池間均接有一個(gè)均衡電路，每個(gè)均衡電路負(fù)責(zé)與之相連兩個(gè)單體間的能量均衡，以電感作為儲(chǔ)能元件，把高能單體的能量通過(guò)電感轉(zhuǎn)移到低能單體上，從而達(dá)到均衡的目的。采用開(kāi)關(guān)電感法的非耗散電感均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，每個(gè)電池均衡電路由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管Q，兩個(gè)二極管D和一個(gè)儲(chǔ)能電感組成。如果兩個(gè)蓄電池B1和B2的電量，(SOC定義為剩余容量與總?cè)萘康谋戎?，表示蓄電池現(xiàn)有的存儲(chǔ)狀態(tài)，是蓄電池組能量管理的主要依據(jù))，則將Q1導(dǎo)通，此時(shí)B1將能量通過(guò)Q1轉(zhuǎn)移到L1中；Q1關(guān)斷，L1中的能量通過(guò)二極管D4轉(zhuǎn)移B2中，上述2步循環(huán)往復(fù)，直到，這樣就實(shí)現(xiàn)了從B1到B2的能量轉(zhuǎn)移，即實(shí)現(xiàn)了均衡；同理，當(dāng)時(shí)，先將Q4導(dǎo)通一段時(shí)間，再關(guān)斷Q4，循環(huán)往復(fù)直到，即可實(shí)現(xiàn)能量從B2向B1的轉(zhuǎn)移。能量均衡過(guò)程中開(kāi)關(guān)Q1導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間的長(zhǎng)短直接關(guān)系到能量均衡的效率。為了使儲(chǔ)能電感的能量在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)不累積，應(yīng)使開(kāi)關(guān)占空比D≤0.5。當(dāng)檢測(cè)蓄電池組中出現(xiàn)能量不均衡時(shí)，通過(guò)控制均衡電路開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)能量在相鄰單體間的轉(zhuǎn)移，最終實(shí)現(xiàn)電池組間的均衡。

圖4 非耗散電感均衡拓?fù)?/p>

2.2 單端反激變換器均衡

圖5 單端反激變換器均衡拓?fù)?/p>

單端反激變換器均衡是經(jīng)一個(gè)多繞組的反激變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組中容量較低的單體電池直接充電的均衡方案，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，這種結(jié)構(gòu)一方面實(shí)現(xiàn)了電路隔離，另一方面反激變換器經(jīng)變壓器多繞組輸出，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)原邊對(duì)副邊多個(gè)單體的充電均衡。工作原理如下：當(dāng)均衡系統(tǒng)檢測(cè)到電池電量不均時(shí)，控制原邊開(kāi)關(guān)管Q1，能量以磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在變壓器T1中，由于變壓器同名端的極性設(shè)置，副邊繞組為上負(fù)下正，二極管截止，副邊繞組沒(méi)有電流通過(guò)；當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，副邊繞組極性變?yōu)樯险仑?fù)，二極管導(dǎo)通，此時(shí)電池組電量較低的單體電池對(duì)應(yīng)的副邊開(kāi)關(guān)管Qn導(dǎo)通，儲(chǔ)存在變壓器原邊繞組中的能量通過(guò)二極管傳遞到電池中。通過(guò)控制反激變換器的開(kāi)關(guān)與占空比可同時(shí)對(duì)電量較低的電池充電來(lái)完成均衡?？刂屏鞒倘鐖D6所示。單端反激變換器均衡能夠根據(jù)實(shí)際SOC有針對(duì)性地選擇電池單體進(jìn)行均衡處理，大大提高均衡的效率。另外，作為電氣隔離的小功率應(yīng)用場(chǎng)合最廣的變換器，單端反激變換器拓?fù)浜?jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速[8]。單端反激變換器有電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式，結(jié)合電池均衡系統(tǒng)的特點(diǎn)分析，由于變壓器副邊直接連接電池單體，電壓等級(jí)比較低，電流等級(jí)要求也不高，負(fù)載相對(duì)恒定，所以輸出電流峰值較小的連續(xù)工作模式滿(mǎn)足其要求[9]。

圖6 均衡控制策略流程圖

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 蓄電池充放電仿真與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)蓄電池組恒流恒壓充電及恒流穩(wěn)定放電的要求，結(jié)合風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的實(shí)際情況及上述充放電控制策略，首先在MATLAB/Simulink中搭建了充放電仿真模型，仿真參數(shù)如下：蓄電池端電壓=150 V，容量=200 Ah，初始=82%，直流母線(xiàn)=460 V，開(kāi)關(guān)管頻率=20 kHz，電感和電容分別選擇為=2.5 mH，=0.2 mF，仿真結(jié)果如圖7(a)所示，初始階段以40 A(0.2)恒流充電，當(dāng)電池端電壓接近163 V后轉(zhuǎn)為恒壓充電，由此可知對(duì)蓄電池組實(shí)現(xiàn)了恒流恒壓充電。設(shè)置當(dāng)母線(xiàn)電壓低于460 V時(shí)，蓄電池組切換到放電模式，放電電流及輸出電壓曲線(xiàn)如圖7(b)所示，由圖可知蓄電池組放電電流恒定且輸出電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了恒流穩(wěn)壓放電，能夠起到穩(wěn)定母線(xiàn)電壓的作用。

圖7 蓄電池組充放電仿真曲線(xiàn)

然后根據(jù)上述仿真情況在蓄電池管理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了充放電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。蓄電池組為48節(jié)3.2 V，200 Ah的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)，端電壓達(dá)150 V左右，充電時(shí)設(shè)置充電電流為30 A，恒壓值設(shè)為154 V，充電實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。

圖8 蓄電池恒流恒壓充電波形

由上面波形可知蓄電池組先以接近30 A的電流充電，隨著端電壓接近恒壓值154 V，充電電流慢慢減小到圖8(b)所示的20 A，實(shí)現(xiàn)了恒流/恒壓兩段式充電。

蓄電池組放電實(shí)驗(yàn)?zāi)M了負(fù)載突變時(shí)，輸出電壓變化的情況。放電時(shí)，先在變換器輸出端接入1 kW的直流負(fù)載，然后突變?yōu)? kW，蓄電池放電電流及輸出電壓波形如圖9所示。

圖9 蓄電池恒流穩(wěn)壓放電波形

由上面波形可知當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，蓄電池組能夠輸出恒定電壓，維持母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定。

3.2 蓄電池組均衡仿真結(jié)果對(duì)比

在上述充電方案的基礎(chǔ)上，在MATLAB/Simulink中分別搭建了非耗散電感均衡和單端反激變換器均衡模型，為了對(duì)比這兩種均衡方法，設(shè)置蓄電池組初始狀態(tài)和仿真條件相同，均以3塊單體容量為10 Ah，端電壓為3.2 V的串聯(lián)磷酸鐵鋰電池為例，3塊串聯(lián)蓄電池單體的初始電量分別為，以5 A(0.2C)恒流源充電同時(shí)啟動(dòng)均衡，圖10為兩種方法的對(duì)比效果圖。

圖10 非耗散電感均衡和反激均衡仿真結(jié)果對(duì)比

由仿真結(jié)果對(duì)比可知，在充電過(guò)程中反激均衡電路在125 s左右能實(shí)現(xiàn)均衡，而電感均衡則要在接近300 s時(shí)達(dá)到均衡要求，反激均衡電路比電感均衡電路快了近60%。

4 結(jié)論

本文對(duì)雙向DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。在此基礎(chǔ)上，仿真對(duì)比了在蓄電池充電過(guò)程中非耗散電感電路和單端反激變換器兩種均衡控制方法，證明了單端反激變換器均衡比非耗散電感均衡能有效減少均衡時(shí)間，提高均衡效率，并且反激均衡能夠有針對(duì)性地對(duì)單體電池進(jìn)行均衡，避免了電感均衡中處在中間位置的電池出現(xiàn)同時(shí)充放的情況，更有效地延長(zhǎng)電池壽命。

[1]JIAYUAN W，ZECHANG S，XUEZHE W.Performance and characteristic research in LiFePO4battery for electric vehicle applications[C]//2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，Dearborn：IEEE VPPC，2009：1657-1661.

[2]楊惠，孫向東，鐘彥儒，等.基于雙向DC-DC變換器的超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27(4)：456-460.

[3]劉有兵，齊鉑金，宮學(xué)庚.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池均衡充電的研究[J].電源技術(shù)，2005，28(10)：649-651.

[4]HUI J，BAKHSHAI A，JAIN P K.A hybrid wind-solar energy system：a new rectifier stage topology[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition IEEE，Palm Springs：APECE IEEE，2010：155-161.

[5]周莉.新型Buck/Boost電路在充電裝置中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電，2008(6)：42-45.

[6]張巍.純電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008：6.

[7]邱斌斌.磷酸鐵鋰電池組均衡充電及保護(hù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[8]林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：120-130.

[9]武笛.基于雙向反激直流變換器的鋰離子電池均衡系統(tǒng)仿真研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

表3 不同分配方式對(duì)應(yīng)的庫(kù)侖效率損失和最大旁路電流

參考文獻(xiàn)：

[1]WEBER A Z，MENCH M M，MEYERS J P，et al.Redox flow batteries:a review[J].Journal of Applied Electrochemistry，2011，41：1 137-1 164.

[2]TANG A，MCCANN J，BAO J，et al.Investigation of the effect of shunt current on battery efficiency and stack temperature in vanadium redox flow battery[J].Journal of Power Sources，2013，242：349-356.

[3]TANG A，BAO J，SKYLLAS-KAZACOS M.Studies on pressure losses and flow rate optimization in vanadium redox flow battery[J].Journal of Power Sources，2014，248：154-162.

[4]XING F，ZHANG H M，MA X K.Shunt current loss of the vanadium redox flow battery[J].Journal of Power Sources，2011，196：10 753-10 757.

[5]李學(xué)海，王宇軒，黃雯.雙極性電堆中漏電電流簡(jiǎn)化計(jì)算模型[J].電源技術(shù)，2011，35：1 082-1 085.

[6]WANDSCHNEIDER F T，RHM S，F(xiàn)ISCHER P，et al.A multi-stack simulation of shunt currents in vanadium redox flow batteries[J].Journal of Power Sources，2014，261：64-74.

Research on charge equalization strategy of LiFePO4batteries based on Bi-directional DC-DC converter

The Bi-directional DC-DC converter for charging and discharging of LiFePO4batteries’ working principle and control strategy was analyzed, and the method by simulation and experiment was validated.To solve the imbalance problem in the process of charging for batteries,inductive circuit and fly-back converter were introduced respectively,both were compared by simulation.The results show that the fly-back converter is faster and more accuracy than the inductive circuit,which could significantly improve the safety and working life of the batteries.

LiFePO4；Bi-directional DC-DC converter；equalization circuit；fly-back converter

TM912

A

1002-087X(2016)12-2424-04

2016-05-21

北京市教育委員會(huì)市屬高校創(chuàng)新能力提升計(jì)劃項(xiàng)目(TJSHG201310009030)；青年拔尖人才強(qiáng)校項(xiàng)目(XN070022)

溫春雪(1980—)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電及微網(wǎng)系統(tǒng)控制技術(shù)。