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

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(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

鋰電池在使用過程中需要進(jìn)行放電維護(hù)，為提高放電裝置的適應(yīng)性，本文設(shè)計(jì)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(shí)，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(diǎn)，在新能源、交通運(yùn)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(jìn)行放電維護(hù)，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(shí)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?fù)浣Y(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(yàn)證了該電流及控制策略的有效性。

1 電路拓?fù)?/h2>

該裝置的拓?fù)淙鐖D1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?yàn)楣β士刂齐娐贰殇囯姵仉妷?，為放電電阻?/p>

為了適配多種型號(hào)電池，的范圍很大，在放電過程中，也會(huì)隨著鋰電池電量的消耗而降低。在運(yùn)行時(shí)，電阻值基本不變，如果僅僅采用恒流模塊進(jìn)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(jìn)行大功率放電，電阻一般不會(huì)選的太大，因此需要區(qū)域Ⅱ?qū)﹄娮柽M(jìn)行通斷，進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。

圖2 回路拓?fù)?/p>

區(qū)域Ⅱ設(shè)定為當(dāng)母線電壓1低于設(shè)定值時(shí)，2不導(dǎo)通，放電電阻不接入回路。區(qū)域Ⅰ的1進(jìn)行斬波，動(dòng)態(tài)調(diào)整占空比，控制電流。1導(dǎo)通時(shí)，電流上升，對升壓電感進(jìn)行充電，1關(guān)斷時(shí)，電流下降，母線電容電壓上升。由于不斷對母線進(jìn)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(dāng)母線電壓升到所設(shè)定的值時(shí)，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(shí)現(xiàn)更精確的控制。

區(qū)域ⅠIGBT導(dǎo)通時(shí)，電感上所充的電流會(huì)在IGBT關(guān)斷時(shí)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(shí)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(shí)，儲(chǔ)能電感上的電壓

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

考慮功率控制回路，儲(chǔ)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(chǔ)能電容電壓穩(wěn)定。采用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別進(jìn)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(chǔ)能電容電壓1的影響，為了減小其波動(dòng)帶來的諧波電流，恒功率控制回路以穩(wěn)定1為目標(biāo)。從功率流動(dòng)方向分析，當(dāng)1穩(wěn)定時(shí)，電池輸出功率全部釋放在放電電阻上。實(shí)際應(yīng)用中，可取1=1.2max，既能實(shí)現(xiàn)恒流，同時(shí)能夠降低電流諧波。1的選取同時(shí)限制了系統(tǒng)的最大放電功率，當(dāng)占空比2最大時(shí)，負(fù)載端電壓等于儲(chǔ)能電容電壓，max=12/。

3 控制策略驗(yàn)證與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制策略，采用MATLAB/SIMULINK進(jìn)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(shí)母線電容電壓一直在上升過程中，未達(dá)到設(shè)定的60 V。在母線電壓未超過電池電壓時(shí)，1無論開關(guān)，總是會(huì)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(jìn)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(shí)的電流跟蹤波形，可以看到電流跟蹤基本沒有超調(diào)，也驗(yàn)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(shí)的電流

4 結(jié)論分析

本文在所設(shè)計(jì)的寬電壓電流調(diào)節(jié)范圍放電裝置，結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性，符合現(xiàn)場實(shí)用需求。仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)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(dòng)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(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 40(5): 4.

[3] 王志福. 電動(dòng)車用鋰離子動(dòng)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(dòng)化。E-mail: ares_82@163.com