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        一種寬電壓調(diào)節(jié)范圍的鋰電池恒流放電裝置

        2022-06-09 03:13:14全偉成
        船電技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:線電壓鋰電池控制策略

        李 巖,全偉成

        應(yīng)用研究

        一種寬電壓調(diào)節(jié)范圍的鋰電池恒流放電裝置

        李 巖,全偉成

        (武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064)

        鋰電池在使用過程中需要進行放電維護,為提高放電裝置的適應(yīng)性,本文設(shè)計了一種適用于多種工況的鋰電池放電裝置。此裝置由恒流控制和功率控制兩部分構(gòu)成,在完成恒流放電控制的同時,還能夠起到減小電流諧波的作用。

        恒流放電裝置 鋰電池 寬電壓范圍

        0 引言

        鋰電池具有低成本、使用次數(shù)多、材料熱穩(wěn)定性好等多方面優(yōu)點,在新能源、交通運輸、特種電源等諸多應(yīng)用場景中得到廣泛應(yīng)用,發(fā)展前景廣闊[1]。鋰電池在使用過程中,一般需要進行放電維護,以延長使用壽命。鋰電池類型眾多,放電特性各不相同,且在放電過程中,電池的輸出電壓變化范圍大(典型的放電電壓與Psoc的關(guān)系如圖1所示),因而對放電裝置的適應(yīng)性提出了需求[2]。

        鋰電池放電裝置常采用恒電流放電策略,此時鋰電池在放電過程中,其輸出電壓隨著鋰P的下降而降低,限制了其放電能力[3]。目前,對恒電流放電的優(yōu)化研究主要集中在控制策略優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4~5]。本文提出采用基于Boost-buck結(jié)構(gòu)的鋰電池放電裝置,其中boost環(huán)節(jié)采用恒流控制,buck環(huán)節(jié)采用功率控制,拓撲結(jié)構(gòu)簡單,控制方法成熟,適用于寬電壓變化范圍的應(yīng)用場合。本文建立了該電路及控制策略的MATLAB/SIMULINK模型,驗證了該電流及控制策略的有效性。

        1 電路拓撲

        該裝置的拓撲如圖1所示

        圖1 典型的鋰電池組開路電壓與Psoc的關(guān)系圖

        區(qū)域Ⅰ為恒流控制模塊,區(qū)域Ⅱ為功率控制電路。為鋰電池電壓,為放電電阻。

        為了適配多種型號電池,的范圍很大,在放電過程中,也會隨著鋰電池電量的消耗而降低。在運行時,電阻值基本不變,如果僅僅采用恒流模塊進行控制,不經(jīng)過區(qū)域Ⅱ,則電流調(diào)節(jié)有其最低限度值,最低為。為了進行大功率放電,電阻一般不會選的太大,因此需要區(qū)域Ⅱ?qū)﹄娮柽M行通斷,進行功率調(diào)節(jié)。

        圖2 回路拓撲

        區(qū)域Ⅱ設(shè)定為當母線電壓1低于設(shè)定值時,2不導(dǎo)通,放電電阻不接入回路。區(qū)域Ⅰ的1進行斬波,動態(tài)調(diào)整占空比,控制電流。1導(dǎo)通時,電流上升,對升壓電感進行充電,1關(guān)斷時,電流下降,母線電容電壓上升。由于不斷對母線進行充電,母線電容的電壓總能升到區(qū)域Ⅱ的放電設(shè)定值。當母線電壓升到所設(shè)定的值時,區(qū)域Ⅱ開始導(dǎo)通放電。通過控制2的占空比,穩(wěn)定母線電壓。放電電流的大小不再受電池電壓和放電電阻的限制,并能實現(xiàn)更精確的控制。

        區(qū)域ⅠIGBT導(dǎo)通時,電感上所充的電流會在IGBT關(guān)斷時流向母線電容,為了不使1過高燒壞器件,正常工作情況下,放電回路必須導(dǎo)通給母線電容放電,即2不能長時間完全關(guān)斷,放電電阻不能不接入回路。

        2 放電原理分析

        可得電感電流的狀態(tài)方程:

        其中,1為占空比。由式子可知,電流穩(wěn)定時,儲能電感上的電壓

        在功率控制回路中,IGBT導(dǎo)通,儲能電容放電,電壓降低。放電回路等效為BUCK電路,穩(wěn)定時輸出的電流

        考慮功率控制回路,儲能電容上的電壓

        上式中,d1、d2為可控占空比。占空比d1控制電流穩(wěn)定,占空比d2控制儲能電容電壓穩(wěn)定。采用兩個PI調(diào)節(jié)器分別進行控制,系統(tǒng)的控制框圖如下圖所示:

        可以看到,恒流控制受到儲能電容電壓1的影響,為了減小其波動帶來的諧波電流,恒功率控制回路以穩(wěn)定1為目標。從功率流動方向分析,當1穩(wěn)定時,電池輸出功率全部釋放在放電電阻上。實際應(yīng)用中,可取1=1.2max,既能實現(xiàn)恒流,同時能夠降低電流諧波。1的選取同時限制了系統(tǒng)的最大放電功率,當占空比2最大時,負載端電壓等于儲能電容電壓,max=12/。

        3 控制策略驗證與結(jié)果分析

        為了驗證所設(shè)計的控制策略,采用MATLAB/SIMULINK進行仿真,搭建圖2所示的模型,所用的器件參數(shù)如下:電池電壓=35 V;電阻=2 Ω;電感=1 mH;電容=800 μF。

        設(shè)定放電電流為40 A,母線電壓為60 V,得到的電流電壓波形如圖5~6??梢钥吹?,在圖5中可以看到,在0~0.01 s內(nèi),電流超調(diào)較大。對比圖6,可以發(fā)現(xiàn),此時母線電容電壓一直在上升過程中,未達到設(shè)定的60 V。在母線電壓未超過電池電壓時,1無論開關(guān),總是會給電感充電,導(dǎo)致電流超調(diào)。

        圖7~8是先給母線充電到電池電壓,然后再進行電池放電得到的電流、電壓波形??梢钥吹诫娏鞒{(diào)已有明顯改善,電壓超調(diào)2%,在可接受范圍內(nèi)。

        圖9是電流指令突變時的電流跟蹤波形,可以看到電流跟蹤基本沒有超調(diào),也驗證了電流可調(diào)節(jié)范圍大。

        圖8 預(yù)充電后母線電壓

        圖9 電流指令突變時的電流

        4 結(jié)論分析

        本文在所設(shè)計的寬電壓電流調(diào)節(jié)范圍放電裝置,結(jié)構(gòu)簡單,同時具有良好的動靜態(tài)特性,符合現(xiàn)場實用需求。仿真驗證了所設(shè)計系統(tǒng)合理性、控制策略高效可靠。

        [1] 宋懷河. 影響鋰離子電池高倍率充放電性能的因素[J]. 電源技術(shù), 2009(6): 6.

        [2] 黃萬友. 純電動汽車磷酸鐵鋰電池組放電效率模型[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2012, 40(5): 4.

        [3] 王志福. 電動車用鋰離子動力電池充放電特性[J]. 電池, 2003, 33(3): 2.

        [4] 陸彥超. 基于模糊控制的鋰電池恒流放電系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2013, 39(9): 5.

        [5] 饒芳. 基于新型雙向整流器的鋰電池充放電裝置研究[J]. 電力電子技術(shù), 2012, 46(3): 3.

        A constant current discharge device for lithium battery with wide voltage regulation range

        Li Yan, Quan Weicheng

        (Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

        TM464

        A

        1003-4862(2022)05-0041-03

        2021-07-20

        李巖(1982-),男,工程師。研究方向:電氣控制與自動化。E-mail: ares_82@163.com

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