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        礦用單軌吊磷酸鐵鋰電池組復(fù)合式分層均衡電路

        2020-02-05 04:58:32王亮張亞羅雙吳良恕
        工礦自動(dòng)化 2020年1期
        關(guān)鍵詞:中間層礦用電池組

        王亮,張亞,羅雙,吳良恕

        (安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

        0 引言

        礦用單軌吊是一種機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、載荷量大、安全可靠的輔助運(yùn)輸設(shè)備[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)鉛酸或鎳氫蓄電池,磷酸鐵鋰電池具有壽命長(zhǎng)、單體電池容量大、安全性能高、環(huán)保、體積小等優(yōu)點(diǎn)[2],被廣泛用作礦用單軌吊動(dòng)力源。我國(guó)礦用單軌吊動(dòng)力源一般要求電壓不低于300 V、容量不低于400 A·h,因此需要將上百個(gè)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)成電池組供電。由于每節(jié)電池參數(shù)不同及連續(xù)的充放電,使得電池電壓、容量、內(nèi)阻等發(fā)生改變,電池不一致性會(huì)導(dǎo)致電池在過充或過放過程中性能逐漸降低[3],從而縮短電池使用壽命。因此,需要對(duì)電池進(jìn)行管理[4],其中主動(dòng)均衡是電池管理研究的重點(diǎn)內(nèi)容[5-6]。

        主動(dòng)均衡主要是通過儲(chǔ)能元件和控制開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)電荷在電池間的轉(zhuǎn)移[7-8]。文獻(xiàn)[9]提出了電容和開關(guān)組合均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),利用電容作為中間儲(chǔ)能元件,但均衡速度有待提高。文獻(xiàn)[10-11]在Buck-Boost均衡電路基礎(chǔ)上,用開關(guān)電感模塊替代電感,減少了開關(guān)管數(shù)量,降低了均衡過程中的能量損耗,提高了均衡速度,但當(dāng)被均衡的電池?cái)?shù)量龐大時(shí),控制策略較復(fù)雜。文獻(xiàn)[12-14]提出了單開關(guān)、雙開關(guān)、準(zhǔn)諧振開關(guān)電容式均衡拓?fù)?,通過具有恒定頻率和固定占空比的1對(duì)互補(bǔ)脈沖信號(hào)來控制電路開關(guān),但當(dāng)被均衡電池的電壓差較小時(shí),通過電容的均衡電流小,難以實(shí)現(xiàn)快速均衡。文獻(xiàn)[15]提出了基于輔助電源的飛渡電容均衡電路,使均衡電流大小取決于輔助電源輸出電流大小,不受被均衡電池電壓差的限制,有效提高了均衡速度,但在充電過程中容易出現(xiàn)電池過壓現(xiàn)象。

        本文將Buck-Boost均衡電路和飛渡電容均衡電路相結(jié)合,提出了一種復(fù)合式分層均衡電路。利用分組分層結(jié)構(gòu)方式,不僅可對(duì)相鄰電池進(jìn)行均衡,還可實(shí)現(xiàn)非相鄰電池間均衡,縮短了均衡時(shí)間;通過比較電池電壓控制開關(guān)管通斷,控制策略簡(jiǎn)單。

        1 復(fù)合式分層均衡電路結(jié)構(gòu)及工作原理

        1.1 復(fù)合式分層均衡電路

        復(fù)合式分層均衡樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中Bi(i=1,2,…,n,n為電池?cái)?shù)量)為被均衡的串聯(lián)電池,Cf,3·2m-f-1(f=1,2,…,m,m為分層數(shù))為不同類型的均衡電路,在第f層共有3·2m-f-1個(gè)均衡電路,對(duì)應(yīng)3·2m-f個(gè)電池組,每組電池?cái)?shù)量為2f-1,n與m關(guān)系為n=3·2m-1。在第1至m-1層依據(jù)二叉樹原理采用雙單體直接交互均衡電路,在第m層采用三單體直接交互均衡電路。

        圖1 復(fù)合式分層均衡樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        本文采用基于Buck-Boost均衡電路和飛渡電容均衡電路的復(fù)合式分層均衡樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中底層和中間層采用Buck-Boost均衡電路,頂層采用飛渡電容均衡電路。以12節(jié)電池串聯(lián)為例,復(fù)合式分層均衡電路分為3層,如圖2所示。底層每2節(jié)相鄰單體電池通過Buck-Boost均衡電路均衡;中間層以每2節(jié)相鄰單體電池為1組,每2個(gè)相鄰電池組通過Buck-Boost均衡電路均衡;頂層以每4節(jié)相鄰單體電池為1組,3個(gè)電池組通過飛渡電容均衡電路均衡,在1個(gè)開關(guān)工作周期內(nèi),有且僅有2個(gè)電池組通過飛渡電容均衡電路均衡。

        1.2 底層和中間層工作原理

        每2節(jié)相鄰單體電池B1B2,B3B4,…,B11B12為1組,每一組通過Buck-Boost均衡電路進(jìn)行均衡。以2節(jié)相鄰單體電池B1,B2為例,當(dāng)B1電壓高于B2電壓時(shí),對(duì)B1,B22節(jié)電池開啟均衡。此時(shí)使三極管M1導(dǎo)通,電流依次通過B1,L1,M1形成回路,L1生成反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),B1放電,L1充電,即電池的放電過程。當(dāng)流入L1的電流達(dá)到最大時(shí),L1的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使D2導(dǎo)通,電流依次通過L1,D2,B2形成回路,L1放電,B2充電,即電池的充電過程。通過以上過程將B1電量經(jīng)L1傳輸給B2,完成2節(jié)相鄰單體電池B1,B2之間的均衡。

        圖2 復(fù)合式分層均衡電路

        底層電池均衡結(jié)束后,B1B2,B3B4,…,B11B126個(gè)電池組內(nèi)各單體電池電壓近似一致,但各電池組的電壓不一致。將中間層每2個(gè)相鄰電池組通過Buck-Boost均衡電路進(jìn)行均衡,中間層電池均衡過程與底層一致,不再贅述。

        1.3 頂層工作原理

        2 均衡控制策略

        底層和中間層Buck-Boost均衡控制策略:對(duì)每2節(jié)相鄰單體電池或每2個(gè)相鄰電池組的電壓進(jìn)行比較,使電壓大的單體電池或電池組放電,電壓小的單體電池或電池組充電。以單體電池B1,B2為例,Buck-Boost均衡電路控制信號(hào)邏輯如圖3所示。U1B,U2B分別為B1,B2的電壓,將U1B,U2B進(jìn)行比較得到2個(gè)輸出U12B,U21B。若U1B>U2B,則U12B=1,U21B=0;若U1B

        圖3 Buck-Boost均衡電路控制信號(hào)邏輯

        圖4 飛渡電容均衡電路控制信號(hào)邏輯

        根據(jù)充放電控制信號(hào)邏輯表達(dá)式,可得飛渡電容均衡電路各三極管的控制信號(hào)邏輯真值,見表1。

        表1 控制信號(hào)邏輯真值

        3 仿真分析

        在Matlab/Simulink環(huán)境下,根據(jù)圖2搭建復(fù)合式分層均衡電路仿真模型,其中單體電池額定電壓為3.2 V、容量為6 A·h。仿真參數(shù):12節(jié)串聯(lián)電池B1—B12的初始電壓分別為2.756,2.764,2.775,2.787,2.802,2.820,2.840,2.863,2.889,2.918,2.950,2.985 V;Buck-Boost均衡電路中電感為0.015 H,電阻為2 kΩ;飛渡電容均衡電路中電容為0.017 F,電阻為100 Ω;開關(guān)周期為0.009 s。分別對(duì)Buck-Boost均衡電路、飛渡電容均衡電路、復(fù)合式分層均衡電路進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖5所示。

        (1) 均衡時(shí)間。從圖5可看出,Buck-Boost均衡電路、飛渡電容均衡電路、復(fù)合式分層均衡電路的均衡時(shí)間分別為4 500,1 200,500 s,復(fù)合式分層均衡電路相對(duì)于Buck-Boost均衡電路和飛渡電容均衡電路,在均衡時(shí)間上分別減少了約89%和58%。

        (a) Buck-Boost均衡電路

        (b) 飛渡電容均衡電路

        (c) 復(fù)合式分層均衡電路

        (2) 電池電壓一致性。電池電壓一致性用電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差來表征,標(biāo)準(zhǔn)差越小,表明電池之間電壓差異越小,一致性越好。從圖5可得不同均衡電路均衡后電池電壓趨于穩(wěn)定時(shí)的值,見表2。由此計(jì)算不同均衡電路均衡后電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差,見表3??煽闯鰪?fù)合式分層均衡電路相對(duì)于Buck-Boost均衡電路和飛渡電容均衡電路,電壓標(biāo)準(zhǔn)差分別減少了約11%和99%,電池電壓一致性顯著提高。

        表2 不同均衡電路均衡后電池電壓

        4 結(jié)語(yǔ)

        將Buck-Boost均衡電路和飛渡電容均衡電路相結(jié)合,提出了一種復(fù)合式分層均衡電路,使電池不僅能夠在層內(nèi)進(jìn)行能量傳遞,還可在層間進(jìn)行能量傳遞,具有控制簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展、開關(guān)管數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn),適用于不同電池容量要求的礦用單軌吊場(chǎng)合。通過仿真對(duì)比分析,表明復(fù)合式分層均衡電路相對(duì)于Buck-Boost均衡電路和飛渡電容均衡電路縮短了均衡時(shí)間、提高了電池電壓一致性。

        表3 不同均衡電路均衡后電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差

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