新型光伏鋰電無均衡管理儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)分析

付 龍

（山東理工職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272067）

太陽(yáng)能作為一種可再生資源，在光能運(yùn)用過程中有著廣闊的前景。據(jù)相關(guān)研究表明，當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)中，并且從市場(chǎng)反應(yīng)來看，也取得了較好的效果，因此，在未來發(fā)展過程中將會(huì)有更廣闊的發(fā)展空間[1-3]。

1 新型光伏鋰電池的由來及發(fā)展

光伏發(fā)電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，會(huì)存在多種技術(shù)問題，其中儲(chǔ)能技術(shù)則是不可忽視的一項(xiàng)重要內(nèi)容。鋰離子電池由于循環(huán)壽命周期相對(duì)較長(zhǎng)，并且使用過程中性能相對(duì)適中，因此，成為了光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的首選電池材料。但是，鋰電池具體使用過程中，由于需要電池進(jìn)行大量的串聯(lián)后使用，因此，這個(gè)過程中會(huì)涉及到相應(yīng)的均衡問題，這在一定程度對(duì)于電池儲(chǔ)能問題會(huì)帶來很大影響。當(dāng)前針對(duì)這一問題，雖然相關(guān)研發(fā)公司做出了合理的改善措施，但是仍存在或多或少的問題。同時(shí)，光伏鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也是在這個(gè)基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，即光伏電池組合完成通過功率控制單元與鋰電池組配合使用。其中這個(gè)過程中電池的沖放電問題由能量管理系統(tǒng)調(diào)適，對(duì)于電池均衡過程通過相應(yīng)的管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。由于這個(gè)過程中電池均衡系統(tǒng)，需要對(duì)于所有電池單體進(jìn)行合理監(jiān)控，因此，涉及到的電池組越多，那么均衡器管理中的存在的問題也相對(duì)較復(fù)雜，工作效率也會(huì)隨之下降。

針對(duì)這一問題，相關(guān)研究者提出一種新型的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)過程中，是采用一種新型的無均衡設(shè)計(jì)技術(shù)，該設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用的是新型的光伏電池儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)模組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這項(xiàng)技術(shù)是通過電壓匹配的鋰電池單體或者多體進(jìn)行并聯(lián)的方式，然后與光伏電池模塊相耦合，這樣就可以直接省去了鋰電池均衡管理相關(guān)程序，從而達(dá)到了模組簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的目的。此外，采用該技術(shù)的光伏鋰電儲(chǔ)能模組能夠相關(guān)之間進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)，并且單體鋰電池之前的容量差異性，不會(huì)產(chǎn)生不利影響。與傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)相比較，新型光伏鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔，而且便于后期使用維護(hù)，因此，擁有更為廣闊的市場(chǎng)前景。

2 鋰離子電池模型及模組仿真

2.1 鋰離子電池模型

該次研究過程中，采用的是20A.h鋰電池，它是由24片850mA.h的TCL PL-383562聚合物鋰電池單體相互并聯(lián)成的。經(jīng)過實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可知，采用傳統(tǒng)的戴維南等效模型、阻抗模型以及RT模型等，在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中可能會(huì)涉及電池響應(yīng)方面的問題，因此，該次研究采用的是等效電力模型設(shè)計(jì)，采用這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于，該等效電路模型在實(shí)際工作過程中相對(duì)更加精確，便于操作。該設(shè)計(jì)模型中，左側(cè)部分是由電容（Ccapacity）和電流源（Ibat），這部分設(shè)計(jì)主要涉及到建模鋰電池組的容量、荷電狀態(tài)。右側(cè)部分的RC網(wǎng)絡(luò)主要涉及到電池組的暫態(tài)響應(yīng)程序。

2.2 模組仿真設(shè)計(jì)

該次研究過程中，模組仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中是采用同樣的配置，即都是4個(gè)NBCM光伏鋰電池模組組合而成，其中存在的差異特征主要體現(xiàn)于控制單元的有效性方面，即在仿真設(shè)計(jì)過程中，中央控制系統(tǒng)及后級(jí)DC/DC、DC/AC電路問題上存在較大區(qū)別。

具體到仿真設(shè)計(jì)過程中，各鋰電池單體在初始SOC可分別設(shè)置為0.30、0.35、0.40以及0.45.仿真輻照度在0h～10h區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)正旋半波變化，峰值輻照度數(shù)值為1000W/m2。這個(gè)設(shè)計(jì)中，由于MOSFET在工作過程中，電阻值相對(duì)較小，因此，仿真組設(shè)計(jì)中光伏電池電壓與鋰電池電壓并不存在較大的差異。這個(gè)過程中不會(huì)將電壓數(shù)值作為判據(jù)反向關(guān)斷條件，而是將其作為判據(jù)光伏電池對(duì)外供電的一項(xiàng)重要內(nèi)容。模組仿真初始階段不會(huì)投入負(fù)載恒流源，在鋰電池充電過程中可以將充電闕值調(diào)至為4.0V，這樣能夠大大延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命。該組設(shè)計(jì)在實(shí)際工作中，分別在6.0h、6.5h、7.5h和8.4h切斷光伏電池供電，可投入模組運(yùn)行模式，將之前的電壓分別調(diào)至4.0v、7.7v、11.2v和14.6v，在工作10h后，輻照度則降為0。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋰電池單體電壓降至3.3時(shí)，該系統(tǒng)電壓闕值是3.25v，當(dāng)4個(gè)模組在逐一切出，這個(gè)過程中電壓值也會(huì)呈遞減趨勢(shì)。

通過本次研究發(fā)現(xiàn)，仿真設(shè)計(jì)中的4模NBCM光伏鋰電儲(chǔ)能模組，在具體工作過程中能夠根據(jù)自身的負(fù)荷狀態(tài)自行調(diào)節(jié)相應(yīng)的程序，且不會(huì)受到均衡管理算法的影響，這就進(jìn)一步驗(yàn)證了鋰電池不需要進(jìn)行均衡管理的想法。同時(shí)，通過該次實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，模組在運(yùn)用過程中，如果出現(xiàn)瞬間高壓的情況多是鋰電池充放電瞬間暫態(tài)變化所引發(fā)的。此外，與大量的NBCM模組串聯(lián)的高壓相比較而言，單一模組的投切影響較小，不會(huì)導(dǎo)致明顯瞬間高壓情況發(fā)生，并且少量的模組投切也不會(huì)對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 鋰離子電池容量的選擇

鋰電池組作為設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要儲(chǔ)存電能的元件，因此，在電池容量問題上需要進(jìn)行嚴(yán)格的考量，這個(gè)過程中除了電池的電壓與終端電壓做到相互匹配外，單體鋰電池的容量也需要與相連的光伏面板輸出功率合理匹配。由于該研究中的重點(diǎn)內(nèi)容是在驗(yàn)證NBCM控制開關(guān)單元及整機(jī)模組功能等相關(guān)問題，因此，鋰電池單體的容量并沒有采取實(shí)際運(yùn)行容量，僅僅是采用20A.h鋰電池容量作為實(shí)驗(yàn)材料。

3.2 控制單元電路板

根據(jù)整體的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能而言，控制單元可視為儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件，在系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，可以通過耦合光伏電池面板與鋰離子電池單體達(dá)到相應(yīng)的保護(hù)作用，具體包括鋰電池的沖、放電過程。考慮到電池組的最佳使用壽命，鋰離子電池的充電截止電壓、模組的供電切換電壓可設(shè)置在4.15v范圍內(nèi)，模組的切出電壓可設(shè)置為3.25v，這樣能夠有效保護(hù)電池出現(xiàn)過沖、過放情況。同時(shí)，該組實(shí)驗(yàn)過程中考慮到仿真設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)用會(huì)存在一定的差異，因此，在該基本功能的基礎(chǔ)上可加入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)閉鎖功能，從而達(dá)到保護(hù)元器件的作用。其中，單穩(wěn)態(tài)在MOSFET正向降壓達(dá)到或者高于0.2v，則會(huì)自行觸發(fā)置位，單穩(wěn)態(tài)反向電流達(dá)到0.5A，則會(huì)自行觸發(fā)復(fù)位。這個(gè)過程中，具體工作原理主要體現(xiàn)以下兩點(diǎn)內(nèi)容：①在實(shí)驗(yàn)開展中，當(dāng)檢測(cè)到MOSFET正向壓降至0.2V時(shí)，使能MOSFET則會(huì)被導(dǎo)通引發(fā)閉鎖，單穩(wěn)態(tài)被觸發(fā)置位。②當(dāng)工作過程中，當(dāng)輻照度降低至一定程度，則MOSFET則會(huì)瞬間出現(xiàn)方向電流，這個(gè)過程中MOSFET導(dǎo)通工作中可能會(huì)受到外界條件的限制，因此，控制單位在電流檢測(cè)問題上的設(shè)置元件，可采用阻值為10兆歐，精度系數(shù)為0.1%的電阻，并且可以通過電流檢測(cè)放大電路、RC濾波緩沖電路提供MOSFET驅(qū)動(dòng)以及閉鎖判據(jù)。對(duì)于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的閉鎖功能，則可以通過改變電壓Vth1、Vth2完成。

同時(shí)，單元控制工作設(shè)置可劃分為4個(gè)等級(jí)：第1級(jí)為模組對(duì)外供電，第2級(jí)為光伏電池面板切入供電，第3級(jí)為模組退出供電，第4級(jí)為PV面板切出供電。在實(shí)際工作過程中，首先需要對(duì)模組的輸出電壓和鋰離子電池端的電壓值，進(jìn)行科學(xué)檢測(cè)，以此達(dá)到二者間的科學(xué)匹配。根據(jù)該次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，控制電路設(shè)計(jì)過程中一般可主要分為3個(gè)部分：光伏電池與鋰離子電池單體耦合電路、控制邏輯與保護(hù)電路以及繼電器/MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。值得注意的是，光伏電路板的合理選型分割，能夠有效實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出，從而達(dá)到最大工作效能，因此，在實(shí)際工作過程中需要結(jié)合實(shí)際情況運(yùn)用。此外，由于系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中，采用的是低導(dǎo)通電阻的高效MOSFET以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，則最大程度提升了光伏鋰電池對(duì)于鋰離子電池單體電池的充電效率。加上與肖特基二級(jí)管近似直連的方式，最大優(yōu)化了光伏電池與鋰電池單體之間的耦合組結(jié)構(gòu)配置（30W光伏電池配置為例），則能夠?qū)⒛＝M的整體工作效能提升約8%。

該次實(shí)驗(yàn)中設(shè)置4個(gè)模組，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)4個(gè)模組同時(shí)工作至57h后，模組1和模組3切入后，相應(yīng)的輸入電壓升至8.2v，模組2和模組4分別在57.5h和62.5h切入供電后，則輸出電壓越級(jí)則較為明顯，系統(tǒng)工作81h后，可控電子負(fù)載以橫功率模式投入。白天該模組在實(shí)際運(yùn)用過程中，由于處于有光的環(huán)境中，最大功率點(diǎn)的光伏電池在向電池負(fù)載供電的同時(shí)，也會(huì)向鋰電池進(jìn)行供電；夜晚無光的環(huán)境，光伏電池則會(huì)停止工作，這時(shí)鋰電池則會(huì)有鋰電池完成負(fù)載供電，因此，這種工作模式下，4-NBCM模組在輸出端的供電電壓也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。實(shí)驗(yàn)期間，系統(tǒng)工作的第9天，由于輻照度不足，光伏電池則無法正常工作，因此，鋰電池的工作電壓也逐漸降至切換到闕值電壓，這樣導(dǎo)致模組一一退出供電。實(shí)驗(yàn)過程中，由于模組3是最后切出，因此，在工作至212h～213h時(shí)承擔(dān)了所有的負(fù)載用電，并出現(xiàn)了電流的尖峰期。之后，第10日各方條件恢復(fù)正常，模組重新恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

通過本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，每個(gè)電池組工作過程中都需要設(shè)置相應(yīng)的預(yù)設(shè)電壓闕值，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)有效投切。同時(shí)，相關(guān)功能開關(guān)在相互切換過程中，是通過三態(tài)繼電器和簡(jiǎn)單的暫態(tài)二極管續(xù)流電路，來實(shí)現(xiàn)模組的無縫投切，并且能夠保證每個(gè)NBCM模組中的單體鋰電池能夠正常充放電，且不會(huì)出現(xiàn)過沖、過放情況。這樣就進(jìn)一步驗(yàn)證了儲(chǔ)能系統(tǒng)以及無均衡管理方式的應(yīng)用效果[4-6]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過該次實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，4-NBCM光伏鋰電池儲(chǔ)能模組，能夠獨(dú)立進(jìn)行工作并完成有效的充放電相關(guān)管理效能。因此，由于本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，采用的無均衡管理拓?fù)涔夥囯姵貎?chǔ)能系統(tǒng)能夠取得較理想的設(shè)計(jì)效果，并且傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中涉及到的鋰電池均衡管理、單體過沖等相關(guān)問題，在這個(gè)過程中也會(huì)得到有效解決，因此，改變了傳統(tǒng)系統(tǒng)安全中存在的不足。

同時(shí)，由于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，不需要均衡管理系統(tǒng)的參與，因此，系統(tǒng)的控制功能得到了最大程度的簡(jiǎn)化，并且在上述功能運(yùn)用到集成控制芯片中，選用低成本、低功耗的控制芯片則能夠正常的完成相應(yīng)的工作程序，這樣大大節(jié)省了整體經(jīng)濟(jì)支出。此外，通過控制器提供科學(xué)的數(shù)據(jù)上傳以及有效的荷電狀態(tài)估計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)智能化供電能力等相關(guān)內(nèi)容的預(yù)測(cè)，這樣則能夠保證系統(tǒng)更為科學(xué)的運(yùn)行。