基于電感儲(chǔ)能的退役電池雙層均衡方法研究

吳鐵洲，謝有焰，查 歡

(湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用及儲(chǔ)能運(yùn)行控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430068)

新能源汽車(chē)數(shù)量呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，鋰電池作為其主要?jiǎng)恿?lái)源，在循環(huán)一定次數(shù)后，電池壽命和容量會(huì)明顯削減，大量鋰電池面臨退役[1-2]。通常退役電池仍有80%以下的容量，為避免直接報(bào)廢造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，可以梯次利用在其他儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)揮作用[3]。由于電池在制造時(shí)便存在初始差異，再加上使用環(huán)境不同及長(zhǎng)期服役，導(dǎo)致電池組的不一致性逐漸加劇[4-5]。因此對(duì)退役電池組進(jìn)行均衡管理，是延長(zhǎng)電池壽命，提升電池組性能的必要技術(shù)。

目前，關(guān)于退役電池組的均衡研究多采用主動(dòng)均衡方法提高能量的利用率[6-7]。為提高均衡速度，文獻(xiàn)[8]采用變壓器傳遞能量，但其存在磁飽和和漏磁現(xiàn)象，增加了損耗。文獻(xiàn)[9-10]提出基于電容的均衡電路，雖控制簡(jiǎn)單，但電容作為儲(chǔ)能元件，由于其自身電流較小，均衡速度仍然較慢。文獻(xiàn)[11]中的分層均衡單元電感電路可以實(shí)現(xiàn)不同層間能量傳遞，均衡速度快，但僅能在相鄰電池間均衡，隨著電池單體數(shù)的增加，外層的開(kāi)關(guān)器件將承受更大的電壓。文獻(xiàn)[12]的雙層均衡電路采用差值比較法，每層同時(shí)進(jìn)行均衡，提高了均衡效率，但均衡時(shí)序復(fù)雜。

對(duì)于壽命、容量和性能減弱的退役電池，為了更好地提高其均衡速度，本文提出了一種基于電感儲(chǔ)能的退役電池組雙層均衡電路與策略，根據(jù)每個(gè)退役電池小組差異不同，分層設(shè)置不同均衡指標(biāo)及電池層的組內(nèi)和組間的均衡順序，實(shí)現(xiàn)快速縮小退役電池不一致性的效果。

1 均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 雙層均衡電路

本文提出了適用于退役鋰電池組的雙層電感式均衡電路。退役單體電池在容量和內(nèi)部參數(shù)上具有較大的差異，這些電池相互連接，組成一個(gè)電池模組。為了充分利用電池容量，使電池組在運(yùn)行過(guò)程中能夠快速保持荷電狀態(tài)(SOC)的均衡，將退役電池組分成g個(gè)小組模塊，并將均衡電路分為下層組內(nèi)和上層組間兩部分均衡模塊。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 雙層電感式均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

下層均衡模塊中每個(gè)電池組內(nèi)電池單體數(shù)量較少，選用多電感式的均衡電路，可以實(shí)現(xiàn)組內(nèi)相鄰電池單體間能量的雙向傳遞；上層結(jié)構(gòu)中的電池?cái)?shù)量較多，要求上層均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性強(qiáng)，因此采用開(kāi)關(guān)式單電感雙向均衡電路，可以實(shí)現(xiàn)任意電池組間進(jìn)行均衡。均衡電路開(kāi)關(guān)均為MOSFET 管，利用MOSFET 管的正向?qū)ㄌ匦韵w二極管帶來(lái)的電池短路的危險(xiǎn)。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單，易于模塊化，均衡較少電池單體時(shí)速度快、效率高。

1.2 下層均衡電路原理

下層組內(nèi)均衡是以基于多電感的Buck-Boost 電路作為均衡單元，每個(gè)均衡小組含兩個(gè)單體電池，其通過(guò)電感將能量從SOC高的傳遞給SOC低的單體電池，從而實(shí)現(xiàn)組內(nèi)電池的均衡。假設(shè)以較高電量的電池B1和低電量的電池B2為例，當(dāng)下層均衡開(kāi)啟時(shí)，分析下層小組內(nèi)均衡過(guò)程，如圖2 所示。

圖2 組內(nèi)均衡工作原理

設(shè)均衡過(guò)程中控制MOSFET 管的PWM 信號(hào)的占空比為D，周期T=t1+t2，其中t1、t2分別為一個(gè)能量轉(zhuǎn)移周期內(nèi)的B1放電時(shí)間和B2充電時(shí)間。

B1放電階段如圖2(a)所示，MOSFET 管Q1被導(dǎo)通，單體電池B1中過(guò)多的能量轉(zhuǎn)移給電感L1進(jìn)行儲(chǔ)存，電感電流iL1從0 開(kāi)始線性增長(zhǎng)到最大值iL1(max)，即：

則此t1時(shí)間過(guò)程里iL1的增量為：

B2充電階段如圖2(b)所示，MOSFET 管Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，電感L1中的能量轉(zhuǎn)移給單體電池B2，此過(guò)程電感電流iL1為：

當(dāng)電感電流iL1從最大值iL1(max)線性減小到0 時(shí)，此時(shí)為t2時(shí)刻Q2關(guān)斷，意味著下層組內(nèi)均衡的一個(gè)周期結(jié)束。

1.3 上層均衡電路原理

上層組間均衡是以開(kāi)關(guān)矩陣的單電感雙向電路作為均衡單元，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)斷而改變電感與開(kāi)關(guān)器件組以及電池組的連接方向位置，實(shí)現(xiàn)能量在任意電池組間的轉(zhuǎn)移而達(dá)到均衡狀態(tài)。假設(shè)以較高SOC的電池小組g1和低SOC的電池小組g3為例，分析上層組間均衡過(guò)程。當(dāng)上層均衡開(kāi)啟時(shí)，組間能量轉(zhuǎn)移過(guò)程分別是g1放電階段和g3充電階段，如圖3 所示。

圖3 組間均衡工作原理

電池小組g1放電階段如圖3(a)所示，電池小組g1對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)矩陣以及相應(yīng)的電感均衡通道被導(dǎo)通，在此階段時(shí)間t0～t1里，g1中能量傳遞并存儲(chǔ)到電感L中，電感電流iL從0 開(kāi)始線性增長(zhǎng)，即：電感電流iL的最大值iL(max)為：

式中：Vg1為電池小組g1的平均電池電壓；D為電池小組開(kāi)關(guān)管占空比；T為組間開(kāi)關(guān)管的一個(gè)周期。

電池小組g1在放電過(guò)程中所釋放的電荷量Qg1為：

電池小組g3充電階段如圖3(b)所示，電池小組g1對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管關(guān)閉，g3對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管及相應(yīng)的電感均衡通道被導(dǎo)通，在此階段時(shí)間t1～t2里，電感L 中存儲(chǔ)的能量傳遞到g3中，電感電流iL由最大值iL(max)減小到0。在t2～t3時(shí)間階段里，電池小組g1、g3相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)均保持關(guān)閉狀態(tài)，電感電流為0。

2 均衡控制策略

2.1 分層均衡策略

本文選擇電池SOC作為均衡的目標(biāo)變量，且采用簡(jiǎn)單有效的安時(shí)積分法進(jìn)行SOC估算。為了提高退役電池組整體的性能以及均衡速度，采用分層均衡控制策略(圖4)，主要分為四個(gè)階段。

圖4 分層均衡控制策略流程

(1)均衡開(kāi)啟。采用安時(shí)積分法對(duì)各退役電池單體進(jìn)行SOC估算，此時(shí)有：

式中：SOC0為電池充放電初始時(shí)刻的荷電狀態(tài)；QN為電池的額定容量；I為電池電流。

通過(guò)計(jì)算退役電池組SOC值的方差判定電池組的離散程度即不一致性。對(duì)于退役電池不一致性嚴(yán)重的問(wèn)題，考慮電池SOC的離散程度，通過(guò)計(jì)算各電池組間方差S2，若大于所設(shè)定的閾值則開(kāi)啟均衡，否則均衡模塊關(guān)閉。方差計(jì)算公式如下：

(2)確定上層電池組間和下層電池組內(nèi)的均衡先后順序。利用公式(9)求各電池小組內(nèi)單體電池間的極差值R(g)，以及整個(gè)電池組的極差R。比較兩者大小，若R＞R(g)，則先進(jìn)行上層組間均衡，減少退役電池組整體的不一致性，當(dāng)上層組間均衡至R≤R(g)時(shí)，再進(jìn)行下層的電池小組內(nèi)均衡。若判斷出組內(nèi)SOC差異過(guò)大，則先進(jìn)行下層電池小組組內(nèi)均衡，其后再組間均衡。

2.2 組內(nèi)間均衡策略

(1)下層電池組內(nèi)均衡。采用單體電池極差值比較法實(shí)現(xiàn)電池小組內(nèi)相鄰單體電池間的均衡。

①利用公式(10)求各電池小組內(nèi)單體電池間的極差值R(g)。

②判定需要均衡的電池小組。

③控制啟動(dòng)需要均衡的退役單體電池的均衡模塊開(kāi)關(guān)，使SOC最大的單體電池進(jìn)行均衡放電，從而轉(zhuǎn)移能量到SOC最小的單體電池進(jìn)行充電均衡，直到所有的退役電池小組內(nèi)的電池處于相對(duì)均衡狀態(tài)，即組內(nèi)單體電池SOC差值ΔSOC≤1%時(shí)下層組內(nèi)均衡結(jié)束。

(2)上層電池組間均衡。采用小組均值比較法改善電池小組間的不一致性，減小整個(gè)退役電池組的整體差異，可實(shí)現(xiàn)任意電池小組間均衡。

③控制啟動(dòng)需要均衡的退役電池小組的均衡模塊開(kāi)關(guān)，使SOC均值最大的電池小組進(jìn)行均衡放電，從而轉(zhuǎn)移能量到SOC均值最小的電池小組進(jìn)行充電均衡，直到所有的退役電池小組間處于相對(duì)均衡狀態(tài)，即≤1%，上層組間均衡結(jié)束。

為保證退役電池組均衡過(guò)程中的精度，以及避免過(guò)多的開(kāi)關(guān)操作頻次導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)移過(guò)程中損耗增多，設(shè)置組內(nèi)均衡閾值及電池組間均衡閾值為1%。

2.3 均衡效率分析

使用傳統(tǒng)的多層多電感均衡電路時(shí)，只能進(jìn)行相鄰單體電池之間和相鄰電池小組之間逐層進(jìn)行電池均衡，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)退役電池組的均衡，且采用單一的均衡策略，單體電池與組間電池組之間相互獨(dú)立，導(dǎo)致電池能量來(lái)回轉(zhuǎn)移造成損耗。本文提出分層均衡控制策略可以整體上聯(lián)系組內(nèi)單體電池與組間電池小組間的差異，采用相應(yīng)的均衡算法控制，提高電池組的能量利用率與均衡速度。

假設(shè)利用公式(12)求得R＜R(g)，先進(jìn)行下層組內(nèi)均衡，再進(jìn)行上層組間均衡，則各電池小組內(nèi)單體電池SOC的偏差量與各電池小組的SOC偏差量分別為：

因此組內(nèi)完成均衡所需要的單體電池SOC的轉(zhuǎn)移量ΔSd與電池組間完成均衡所需要的SOC轉(zhuǎn)移量ΔSu一共為：

傳統(tǒng)的多層多電感均衡只能相鄰單體電池之間和相鄰電池小組之間逐層進(jìn)行電池均衡，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 傳統(tǒng)多層電感均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

組內(nèi)完成均衡所需要的單體電池SOC的轉(zhuǎn)移量ΔS'd與電池組間完成均衡所需要的SOC轉(zhuǎn)移量ΔS'u一共為：

由于電池SOC反映電池的剩余容量，數(shù)值上定義為剩余容量Qr占總電池容量Q的比值，若認(rèn)為Q為固定值，則：

另外均衡系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)定的均衡閾值分別進(jìn)行組內(nèi)組間均衡，電池均衡時(shí)SOC較高的電池所釋放出的能量Qd與SOC較低的電池所補(bǔ)充的能量Qc為：

式中：η為均衡器能量轉(zhuǎn)移效率；x為此階段均衡中所需要均衡的電池?cái)?shù)量。

因此對(duì)比式(15)和式(16)，可以看出ΔSOC≤ΔSOC′，且本文的均衡電路和策略減少了電池均衡的路徑和均衡過(guò)程中轉(zhuǎn)移的能量；再結(jié)合式(8)和式(18)可以看出均衡器能量轉(zhuǎn)移效率提高。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證所提出的雙層均衡電路與均衡策略的快速性，利用MATLAB/Simulink 軟件平臺(tái)構(gòu)建電路仿真模型，并建立分層均衡控制策略進(jìn)行均衡充放電實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的多電感多層均衡仿真模型進(jìn)行對(duì)比分析。以6 節(jié)退役電池(B1～B6)為例，分為3 組，設(shè)置退役電池的SOC初始值分別為78%、73%、82%、75%、67%和71%，分別記為SOC1、SOC2、SOC3、SOC4、SOC5、SOC6，其中電池的額定容量為5.4 Ah，電池的標(biāo)稱電壓為3.2 V。

為驗(yàn)證本文所提出的均衡控制電路及策略的優(yōu)勢(shì)，建立傳統(tǒng)的多層單電感均衡電路對(duì)此6 節(jié)電池組進(jìn)行充放電均衡仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7 所示。電池組充電均衡和放電均衡完成時(shí)間分別達(dá)到85.3 和133.4 s。

圖6 傳統(tǒng)均衡策略充電均衡結(jié)果

圖7 傳統(tǒng)均衡策略放電均衡結(jié)果

本文所提出的分層均衡電路及策略的充放電均衡仿真結(jié)果分別如圖8、圖9 所示，其中電池組充電均衡和放電均衡完成時(shí)間分別為51.8 和74.6 s。

圖8 充電時(shí)分層均衡策略結(jié)果

圖9 放電時(shí)分層均衡策略結(jié)果

通過(guò)對(duì)比可以看出，本文所提出的雙層電感式均衡電路相比較傳統(tǒng)的多層單電感電路的充、放電均衡時(shí)間分別縮短了33.5 和58.8 s。同時(shí)可以看出本文所提出的均衡方法能夠更快地改善電池組中整體差異性，避免過(guò)充過(guò)放等安全問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文針對(duì)退役鋰電池總?cè)萘肯陆?，且使用過(guò)程中更容易產(chǎn)生不一致性的問(wèn)題，根據(jù)電池組分組分層后的下層組內(nèi)和上層組間結(jié)構(gòu)特性，分別采用多電感和單電感均衡電路，以SOC為均衡目標(biāo)，通過(guò)計(jì)算分析各退役電池組內(nèi)和組間的差異性，合理地確定上層組間和下層組內(nèi)均衡順序，并結(jié)合均值和極差比較法的均衡算法進(jìn)行分層均衡。最終以6 節(jié)電池為例進(jìn)行的充放電均衡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提均衡方法的有效性，并與多層電感均衡方法相比較，證明該方法的均衡速度快。