高壓大容量儲能變流器電池組的平衡控制

于連勇

摘? 要：電能是現代社會的主要能源之一，隨著社會的快速發(fā)展對于電能的需求也在不斷的增強。電池是移動儲能的重要載體，在現代社會有著諸多的應用。手機、筆記本電腦等都需要大量的優(yōu)質電池。現代新能源汽車產業(yè)對于高性能電池的需求也在逐年增加，現今的大容量儲能電池多采用的是電池組串聯的方式構成，但是由于各電池性能的差異致使其在充放電的過程中容易出現過充、欠充等問題。文章在分析電池組充放電過程中所存在問題的基礎上提出了一種級聯H橋儲能變流器平衡策略。

關鍵詞：高壓大容量電池;H橋儲能變流器;電池組;充放電

中圖分類號：TM910 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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形成電池組，而后再將電池組按照一定的順序串聯而成。通過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各電池組一致性較差的問題。這一問題在充放電的過程中表現的尤為明顯。本文針對這一問題提出了一種新型的H橋儲能變流器均衡控制法，并通過實驗驗證其良好的高壓大容量電池均衡控制性能。

1 級聯H橋儲能變流器結構原理

高壓大容量電池由眾多的單體電池所組成，電池組在充放電過程中所出現的電池組參數、荷電狀態(tài)不一致的問題將會對電池組的使用壽命造成極大的影響。為解決這一問題，研究并提出了級聯H橋儲能變流器均衡控制策略。由H橋子模塊級聯所構成的H橋儲能變流器能夠實現對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法發(fā)揮其應有的功用。為解決這一問題需要研究并應用H橋儲能變流器子模塊平衡控制策略，用以控制H橋儲能變流器各子模塊之間的平衡。本文基于H橋儲能變流器提出了一種均衡控制策略，其主要采用的是增設虛擬子模塊用以在滿足網側功率需求的基礎上完成對于電池組SOC平衡的控制，此外，H橋儲能變流器依靠排序算法與最近電平逼近法保障橋臂內各子模塊的獨立性，通過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，在降低因一致性問題所導致的電池損耗的同時，提高電池組的使用效率。

級聯H橋儲能變流器結構如圖1所示，其包含有N個H橋子模塊，各子模塊之間采用的是級聯連接，并在級聯的子模塊首尾兩端加裝電感用以連接電網。從圖1中可以看出H橋儲能變流器中的各子模塊采用的是電容與開關管串聯的方式，通過這一連接方式可以通過直接改變開關管的開關用以對H橋儲能變流器子模塊的電容電壓進行調整，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。開關管的斷開將使得電池組處于冗余狀態(tài)， H橋儲能變流器中所采用的子模塊為虛設子模塊。在電池組充放電狀態(tài)下，采用H橋儲能變流器進均衡控制時， H橋儲能變流器子模塊的充放電狀態(tài)將依據橋臂電流方向所轉變，即開關管閉合時H橋儲能變流器子模塊的輸出電壓與橋臂電流方向并不同向，橋臂電流流向方向為H橋儲能變流器子模塊電容的正極，在這一狀態(tài)下H橋儲能變流器子模塊電容將進行充電，而當開關管閉合時這一H橋儲能變流器子模塊的狀態(tài)將與上述狀態(tài)相反，橋臂電流流向將指向H橋儲能變流器子模塊電容的負極，在這一狀態(tài)下H橋儲能變流器子模塊電容將放電。結合電路可以對H橋儲能變流器子模塊中的電流狀態(tài)建立起函數模型，通過模型計算分析后可以看出H橋儲能變流器子模塊電容可以看作為網側和電池組能量交換之間的中介，在網側功率一定的情況下橋臂內各電池組的輸出功率與網側功率相等，此外，在H橋儲能變流器子模塊與網側進行功率交換時，功率交換的部分主要集中在直流分量和二倍頻分量上。在進行電流量計算時，假設電池組端的電壓中僅僅含有直流分量，而根據計算公式由直流分量和二倍頻分量的波動將引起H橋儲能變流器子模塊出現相應的波動變化，這些功率波動變化主要集中在H橋儲能變流器子模塊內部，不會傳導至網側，從而避免了網側受到直接的影響。

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進行獲取，在獲取電池組中各單體電池端電壓的同時繪制電池組SOC平均充放電曲線，在完成電池組充放電電壓電流計算的基礎上完成電池組充放電初始功率的計算。而后，依據計算結果對處于充電狀態(tài)下電池組中單體電池的SOC進行從小到大的排序記錄，根據橋臂上的電流方向完成SOC初始功率的逐次累加，通過對功率階梯與輸出功率指令進行對比用以對電池組的工作狀態(tài)有一個清晰的認識，根據所計算對比后的結果求取非冗余狀態(tài)下電池組的矯正功率。從上述計算結果可知，在采用H橋儲能變流器子均衡控制策略時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償的方式將電池組的輸出功率維持在一個較為可控的區(qū)間范圍內，通過與非冗余狀態(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償功率的計算獲取所需要的控制變量。一般來說，電池組的容量是一致的，由于SOC的比較差值為0，功率的補償值為0，這意味著電池組輸出功率在H橋儲能變流器子均衡策略的補償下將不改變對外輸出功率。而當各電池功率差異較大時，則H橋儲能變流器均衡策略將會根據SOC和Q的差異值計算所需要補償的功率。

2 H橋儲能變流器子模塊電壓平衡控制策略

當切除電池組時，H橋儲能變流器子模塊如若同樣處于切除狀態(tài)時將會導致H橋儲能變流器的電平數相應的下降，進而導致變流器的并網波形質量下降，而當電池組工作狀態(tài)轉變回非冗余狀態(tài)時H橋儲能變流器子模塊還需要再次進行充電，這一循環(huán)往復的方式將會對動力電池組充放電系統的穩(wěn)定性產生極為不利的影響?？傊?， 當電池組輸入子模塊電容功率與子模塊電容輸出功率產生偏差值時，子模塊電容電壓將會隨之產生直流分量的波動，這一波動與輸出功率的偏差值成正比。因此，通過相應的算法可以控制開關管的投切次序，將電池組子模塊電容電壓控制在一個較為平穩(wěn)的區(qū)間范圍內，通過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側之間完成相應的功率交換，確保網側電壓波形能夠具有良好的波形質量。相較于一般的動力電池組控制算法，H橋儲能變流器均衡控制策略在同樣使用外電壓環(huán)內電流雙控控制器的同時僅僅采用了三角載波調制波的比較這一環(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控制時的損耗。H橋儲能變流器控制電壓采用的是方波與PWM脈沖信號的疊加，則各子模塊電容電壓在存在偏差的同時也可以完成相應的控制輸出，橋臂內子模塊電容電壓能夠在較大工作范圍內波動用以確保橋臂內的N個電池組能夠工作在平均充放電曲線內。

3 高壓大容量儲能變流器電池組的平衡控制策略驗證

為驗證高壓大容量儲能變流器電池組的平衡控制策略的可行性，依據高壓大容量儲能變流器電池組的平衡控制策略搭建了仿真模型，仿真模型將對變流器的輸出電壓、電流、變流器內各子模塊的電壓、電流等參數進行仿真計算。通過仿真計算出的數據可以看出在高壓大容量儲能變流器電池組的平衡控制策略應用下當H橋儲能變流器并未向網側端發(fā)出功率指令時，橋臂中各電池組的工作狀態(tài)均正常，而當電池組間SOC誤差較大時，H橋儲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橋儲能變流器各子模塊電容電壓波動較大時，H橋儲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)下的電能質量。

4 結束語

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

參考文獻：

[1]郭海峰，陳滿，晁剛，等.H橋級聯型儲能功率轉換系統（PCS）相內均衡控制策略研究[J].太陽能學報，2014（8）：1405-1410.

[2]李新，楊苒晨，邵雨亭，等.級聯型儲能系統中虛擬同步發(fā)電機控制及電池自均衡策略[J].電力系統自動化，2018（9）：180-187.

[3]牟曉春，唐瑭，王小紅，等.高壓大容量儲能變流器電池組平衡控制策略[J].電測與儀表，2019（22）：103-108.