黄剑龙;孙晓艳;刘全胜
【摘 要】针对单体到单体(Cell to Cell)型均衡电路用于风光储能电池组均衡时能量转换效率低、均衡速度慢的问题,以电池组的SOC(State of Charge)一致为均衡目标,提出了一种基于电池模块化的均衡策略.该均衡策略以cuk电路作为底层均衡模块,以反激变换器作为顶层均衡模块,底层和顶层模块的控制相互独立,有效地提高了整体的能量转换效率和均衡速度.在MATLAB环境下,搭建了仿真模型,并与传统的cuk电路均衡策略进行了对比仿真分析,验证了所提均衡策略的有效性.%The cell to cell equalization circuit has a low energy transfer efficiency, and a slow equalization speed, when used in the wind and solar energy storage battery strings. Then, a equalization strategy based on modularization is proposed to overcome above disadvantages, and the uniform of the SOC of the battery strings is used as the equalization goal in this strategy. The equalization strategy uses the cuk circuit as the bottom equalization module, and flyback converter as the top equalization module, the controls of the top and the bottom module are independent. This equalization strategy effectively improves the energy conversion efficiency and overall balancing speed. The simulation model is built with MATLAB, and simulation results are compared with the traditional cuk circuit equalization strategy. The effectiveness of the proposed equalization strategy is verified.
【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2017(035)012
【总页数】7页(P1828-1834)
【关键词】储能电池;均衡策略;荷电状态;模块化
【作 者】黄剑龙;孙晓艳;刘全胜
【作者单位】江南大学 物联网技术应用教育部工程研究中心, 江苏 无锡 214122;无锡职业技术学院, 江苏 无锡214122;无锡职业技术学院, 江苏 无锡214122
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912
风力发电和光伏发电等可再生能源发电具有间歇性和波动性问题，在并网时对电网的安全和稳定具有一定的影响[1]。而电池储能系统能很好地解决可再生能源发电并网时带来的问题，所以具有较高的应用价值[2]。目前，单体电池的额定电压只有几伏特，如锂电池的额定电压为3.7 V，应用到电池储能系统高压环境时，必须将单体电池串联起来，以满足电压等级的需求。而电池的不一致性将导致电池在充放电时电压和电量不均衡。随着充放电次数的增加，这种不均衡将越来越明显，最终使电池的寿命和容量快速下降。电池组的均衡控制可以提高电池组整体的寿命和容量利用率，因此具有重要意义。
现有的均衡电路按照均衡原理可以分为主动型均衡电路和被动型均衡电路[3]。主动型均衡电路又可以按照均衡能量的流动方向进行分类[4]，可以分为旁路分流型（cell bypass）、单体到单体型（cell to cell）[5]、组到单体型（pack to cell）[6]、单体到组型（cell to pack）[7]和单体与组双向型（cell to pack to cell）[8]。单体到单体型均衡电路主要是把单体电池的能量往相邻的单体电池转移，以实现能量的均衡。这种均衡电路结构简单，能快速实现相邻电池间能量的双向传递，但是当单体电池数量较多时，距离较远的单体电池之
间能量传递的损耗较大[9]。而且，虽然针对该电路的传统均衡控制策略的控制简单，但是并没有考虑电池组整体的能量分布情况，导致能量在单体电池间来回传递，进一步降低了整体的能量转移效率。
为了提高单体到单体型均衡电路的能量转移效率和均衡速度，本文以SOC一致为均衡目标，提出一种基于电池模块化的均衡策略。该均衡策略以cuk电路作为底层均衡模块，以反激变换器作为顶层均衡模块，底层和顶层模块的控制相互独立，有效地提高了整体的能量转换效率和均衡速度。
针对单体到单体型均衡电路在单体电池数量较多时，由于电路结构和传统均衡控制策略的原因，导致在均衡过程中整体能量损耗较大的问题，本文提出通过模块化[10]的方式解决能量只能从相邻单体电池到相邻单体电池的问题，从而减小能量在长距离传输时的损耗。
如图1所示，把储能电池组分成m个模块，每个模块有n个单体电池，所以，这个电池组单体电池的数量为m×n个。每个模块都有相同结构的均衡器，这些均衡器为底层均衡器，负责每个模块内单体电池SOC的均衡，它们之间是相互独立的。由于底层均衡器只是负责模块内的均衡，所以，模块之间的均衡需要额外的均衡器，这就是顶层均衡器。底层均衡器
与顶层均衡器之间的控制也是相互独立的。
该模块化均衡策略的特点是：通过模块化结构，使得能量在长距离传输时，需要经过的单体电池的数量变少，从而减少能量损耗，提高能量转移效率；在短距离传输时，通过底层均衡控制策略和顶层均衡控制策略，减少均衡过程中部分不必要的能量损耗，从而提高能量转移效率。这里所说的“部分不必要的能量损耗”指的是，由于基于单体到单体型均衡电路的传统均衡控制策略，没有考虑电池组整体的能量分布情况，使得能量在单体电池间来回传递而导致的能量损耗。
单体到单体型的均衡电路主要是单体电池通过电容、电感等储能元件把能量转移到其他的单体电池，均衡速度较快，能量转移效率较高[11]。本文采用单体到单体型的均衡电路中的双向cuk均衡电路[12]作为底层模块的均衡电路。
图2（a）为基于双向cuk均衡器单元的电池组底层模块整体均衡电路拓扑图，电路包含n个串联的单体电池和n-1个独立均衡器单元ICE（individual cell equalizer）（后面简称“均衡器”）。均衡器的电路结构如图2（b）所示，均衡器由2个电感L1和L2、1个电容C，2个作为均衡器控制开关的MOSFET场效应晶体管Q1和Q2、2个二极管D1和D2组成。相邻两个
电池之间的能量通过电容C转移，能量转移的方向由Q1和Q2的导通和关断控制决定。假设均衡开启时B1的SOC值比B2的大，即 SOCB1＞SOCB2，则需要把 B1中的能量往B2转移，通过使图1（b）中的Q2一直断开，用PWM控制Q1导通和关断，实现能量的转移。
针对顶层均衡涉及的单体电池数量多、电池组电压较大等问题，顶层均衡模块采用双向反激变换器[13]作为均衡电路。
图3（a）为基于双向反激变换器均衡单元的串联电池组整体均衡电路拓扑图，电路包含m个串联的电池模块和m个独立均衡器单元ICE。均衡器的电路结构如图3（b）所示，均衡器由2个作为均衡器控制开关的MOSFET场效应晶体管Q1和 Q2、两个二极管D1和D2、电容 Ci和 Co及反激式变压器T1组成。均衡单元通过PWM控制开关管Q1和Q2的导通和关断，实现能量在模块i与电池组之间的双向转移。当模块i的能量较高时，通过PWM控制Q1和Q2，使Q2一直保持在关断状态，控制Q1高频导通和关断，从而实现能量从模块i流向电池组；同样，当模块i的能量较低时，通过PWM控制Q1和Q2，使Q1一直保持在关断状态，控制Q2高频导通和关断，从而实现能量从电池组流向模块i。
由于传统的相邻比值均衡控制策略在均衡过程中，并不考虑整个电池组的能量分布情况，
只考虑相邻两个单体电池能量的高低，导致单体电池间能量反复来回传递，增大了均衡过程中能量的损耗。为了减小这些不必要的损耗，在设计好模块化后，可以通过底层模块均衡器的均衡控制策略来实现。
该均衡控制策略根据整个模块内单体电池的能量分布情况，以均衡后的SOC平均值的估计值作为参考，对每个均衡器的开关以及能量的传递方向进行控制，直到整个模块内电池的SOC值一致时结束均衡。该均衡控制策略的均衡速度与相邻比值均衡控制策略的相当，能量转移效率却得到一定的提高。物联网电池
底层模块均衡控制策略的均衡原理如图4（b）所示，把 B1~Bi抽象成电池组 Mi，1，把 Bi+1~Bn抽象成电池组Mi，2。那么均衡器ICEi的功能就是控制能量在电池组 Mi，1 与电池组 Mi，2 之间传递，而传递的方向则根据两电池组预估达到模块内均衡后的SOC平均值大小来决定。在不考虑能量损耗的情况下，电池组 Mi，1，Mi，2 达到模块内均衡后的SOC平均值与其实时的SOC平均值相等，即：
式中：SOCBj为单体电池Bj的实时SOC值。
当时，通过控制均衡器ICEi，使能量从电池组 Mi，1 转移到电池组 Mi，2；反之，则使能量从电池组 Mi，2 转移到电池组 Mi，1。 通过这样的控制，让尽可能多的单体电池参与均衡，同时又考虑到整个模块内电池的能量分布，使能量按照正确的方向传递，避免均衡速度降低，也避免了能量在电池组往返传递过程中的损耗。
因为当时，必有或所以，可以通过比较电池组 Mi，1实时的 SOC平均值和整个模块实时的SOC平均值的大小，来判断能量转移方向。当时，控制均衡器 ICEi 使能量从电池组 Mi，1转移到电池组Mi，2；反之，则控制均衡器ICEi使能量从电池组 Mi，2 转移到电池组 Mi，1。
前面讨论的是不考虑能量损耗的情况，而实际上，由于损耗的存在并不是实际达到均衡后电池组的SOC平均值，那么根据这个估计值来进行均衡器方向的选择就难免导致错误的判断。由于无论怎么控制均衡器，整个电池组和Mi，1最终至少需要转移的能量分别为
对应的能量损耗分别为
其中：为单个均衡器的能量转移效率。
那么，可以简单的将通过公式（1）计算得到的估计值减去对应的平均损耗，作为修正后的值，即：
该均衡控制策略的流程图如图5所示。
顶层模块的均衡控制策略也是采用以电池组SOC一致为均衡目标的均衡控制策略。由于均衡对象并非单体电池，而是串联的电池组模块，所以不能用测量单体电池的方案来测量各个底层模块的SOC值。为了控制的简单，可以采用模块内所有单体电池的SOC平均值作为该模块的SOC值，但是这样做的精确度偏低，也存在一定的不合理性。为了更好地反映各模块的SOC值，可以采用底层模块中经公式（2）计算出来的结果，这个结果是底层模块达到均衡后SOC平均值的估计值，能更好地反映各模块的SOC值。
由于各模块SOC值采用的是平均值估计法，所以，在充电时，当电池组SOC值接近100%时，可能会因为某个电池的SOC值达到100%，导致电池组整体的充电停止；在放电时，当电池组SOC值接近0时，可能会因为某个电池的SOC值达到0，导致电池组整体的放电停止，这将影响电池组的安全性和电池组整体的性能。所以在模块SOC值充电到接近100%或放电到接近0时，应以模块中SOC最大或最小值替代平均值法估计的SOC值，作为模块
的SOC值，然后再继续进行均衡。
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