中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
作者：丁凱 錢一民陳喬鄭劍王易
單位：國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院
引用：丁凱,錢一民,陳喬等.鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)多時(shí)間尺度均衡方法[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(12):3872-3882.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2022.0418
摘 要 鋰離子電池可作為后備電源為電力系統(tǒng)的一次設(shè)備、二次設(shè)備及通信管理等提供不同等級(jí)的交直流電，保證核心設(shè)備緊急時(shí)刻仍然能夠正常工作。先串后并的并聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅因并聯(lián)模組的互為備用具有更高的可靠性，也能夠避免傳統(tǒng)串聯(lián)型后備電源的木桶效應(yīng)問題。然而，并聯(lián)型方案會(huì)因模組之間的不一致，使得各模組壽命呈現(xiàn)差異性；串聯(lián)電池組組內(nèi)電壓分布差異，也會(huì)導(dǎo)致電池單體過充或者過放。為此提出了一種針對(duì)并聯(lián)型鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的多時(shí)間尺度均衡方法。首先，對(duì)電池模組組內(nèi)單體以荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)為指標(biāo)進(jìn)行旁路均衡，使電池組在單次充放電循環(huán)的短時(shí)間尺度達(dá)到組內(nèi)均衡；然后，通過并聯(lián)電池模組組間的壽命均衡，使系統(tǒng)在壽命衰減的長時(shí)間尺度達(dá)到平衡。所提均衡方法能夠提高并聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)使用過程中模組間的一致性，增強(qiáng)并聯(lián)模組互為備用的可靠性，降低運(yùn)維成本，提高鋰離子電池的使用效率。為了驗(yàn)證該均衡方法，在電池加速老化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，搭建仿真模型驗(yàn)證了所提方法在不同條件下的有效性。
關(guān)鍵詞 儲(chǔ)能系統(tǒng)；鋰離子電池；SOC均衡；壽命均衡
后備電源在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠保障核心設(shè)備的正常工作。相比于閥控密閉鉛酸電池，鋰離子電池(以下簡(jiǎn)稱“鋰電池”)因能量密度高、無記憶性、低自放電率、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于電力直流電源系統(tǒng)。后備電源的傳統(tǒng)技術(shù)方案是將多節(jié)電池串聯(lián)成組后并入直流母線，如圖1(a)所示。該技術(shù)方案最為明顯的缺點(diǎn)是：若單節(jié)電池?fù)p壞，后備系統(tǒng)將直接故障。對(duì)于高壓故障，如無法提供后備操作電源，將導(dǎo)致本級(jí)斷路器無法分閘，甚至直接使上級(jí)電網(wǎng)跳閘。另外，由于電池單體電壓一般在4 V左右，為了滿足直流系統(tǒng)高電壓的需求，需要將幾十甚至上百節(jié)單體串聯(lián)。而串聯(lián)電池越多，各電池單體之間的均衡就越復(fù)雜。所以，針對(duì)上述傳統(tǒng)技術(shù)方案的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了先串聯(lián)電池后并聯(lián)模組的并聯(lián)型備用電源方案，并聯(lián)型方案如圖1(b)所示。即先將性能相對(duì)一致的電池串聯(lián)成組，再為各串聯(lián)電池組配備獨(dú)立的DC-DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)后為負(fù)載供電。以這種并聯(lián)模組代替后備電源傳統(tǒng)的串聯(lián)模式，不僅避免了因某塊電池單體故障導(dǎo)致整個(gè)串聯(lián)電池組無法使用的木桶效應(yīng)，并且并聯(lián)模組之間能夠互為備用，顯著提高了后備電源的可靠性與能量利用率。
圖1 后備電源串、并聯(lián)模式比較
電池的內(nèi)阻、自放電率等特性都會(huì)有微小差異，具體表現(xiàn)為，串聯(lián)電池組會(huì)出現(xiàn)單體電壓分布不一致的現(xiàn)象，若不能及時(shí)均衡，可能引起特定電池單體過充、過放甚至是爆炸等危險(xiǎn)。而并聯(lián)電池組則直接表現(xiàn)為電流分布不一致，這將導(dǎo)致電池能量分布與容量衰減差異。并聯(lián)電池模組不同的容量衰減，會(huì)使某些模組提前到達(dá)截止壽命，破壞了多個(gè)并聯(lián)模組之間互為備份的關(guān)系，降低了系統(tǒng)整體的可靠性，且需要額外的人力去檢查，增加系統(tǒng)的維護(hù)成本。故需要對(duì)先串后并的并聯(lián)型方案進(jìn)行壽命均衡處理，使各電池單體的特性盡量接近。
對(duì)串聯(lián)電池組均衡方法的研究有很多，主要分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩大類。被動(dòng)均衡主要依靠耗能型元件(如電阻)消耗電池組中能量較高電池單體的多余能量，使電池組的能量保持一致。被動(dòng)均衡方法在均衡過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱能，如果散熱處理不當(dāng)，易導(dǎo)致電池系統(tǒng)熱失控，且被動(dòng)均衡并不能最大化利用電池組的能量。
主動(dòng)均衡分為旁路均衡以及基于能量轉(zhuǎn)移的均衡?；谀芰哭D(zhuǎn)移的均衡主要是由電容、電感、變壓器等儲(chǔ)能元件構(gòu)造額外的能量傳輸通道，再設(shè)計(jì)相應(yīng)的管理策略，將能量較高單體中的多余能量轉(zhuǎn)移到能量較低的單體。基于能量轉(zhuǎn)移的均衡主要分為4種：?jiǎn)误w-單體(cell-to-cell，C2C)、單體-電池組(cell-to-pack，C2P)、電池組-單體(pack-to-cell，P2C)、單體-電池組-單體(cell-to-pack-to-cell，C2P2C)。相比于被動(dòng)均衡，基于能量轉(zhuǎn)移的均衡方法具有能量利用率高、均衡速度快、電池組一致性好等優(yōu)點(diǎn)。但是，該方法也存在如拓?fù)潴w積大、成本高、控制算法復(fù)雜等問題。旁路均衡方法主要利用可控開關(guān)陣列調(diào)整能量流動(dòng)的路徑，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略去控制開關(guān)陣列的開通、關(guān)斷就能改變能量流動(dòng)路徑。最簡(jiǎn)單的控制策略是在電池組充電時(shí)旁路能量較高的電池單體，在電池組放電時(shí)旁路能量較低的電池單體。此方式下電池能量直接流向負(fù)載，不需要在不同電池單體之間轉(zhuǎn)移，這就使電池的能量不會(huì)在轉(zhuǎn)移過程中被消耗，提高了電池能量的利用率。同時(shí)，通過改變開關(guān)陣列也能夠適時(shí)旁路故障單體。相比于基于能量轉(zhuǎn)移的均衡方法，旁路均衡方法不僅均衡速度快而且均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容錯(cuò)率高、能量利用率高。
電池組均衡的指標(biāo)有開路電壓(open circuit voltage，OCV)、電池端電壓、荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)三種。OCV需要電池靜置較長時(shí)間到達(dá)電池內(nèi)部平衡后才能測(cè)得，并不適合用作均衡指標(biāo)。多數(shù)均衡策略都使用端電壓以及SOC作為均衡指標(biāo)。其中，SOC定義為電池剩余的可用容量占當(dāng)前容量的比例，保持電池SOC的一致性是均衡的根本目的。雖然端電壓也能間接反映電池的SOC，但是電壓與SOC變化的非線性關(guān)系可知端電壓難以精確反映電池的SOC。
并聯(lián)電池組的均衡電路需要與電池/電池組隔離，常用的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為每個(gè)電池模組配備獨(dú)立的DC-DC轉(zhuǎn)換器，使得每組電池的充/放電量可以獨(dú)立控制。Moo等通過為并聯(lián)電池組中的每塊電池單體配備DC-DC轉(zhuǎn)換器獨(dú)立控制每塊電池的電流。該方法不僅能夠避免電池組過充放，同時(shí)也有利于電池組工作過程的SOC、SOH(state of health，健康狀態(tài))估計(jì)。Cao等提出了一種多輸入單輸出的電池系統(tǒng)，即為每組電池模塊配備獨(dú)立的DC-DC轉(zhuǎn)換器后將所有模組串聯(lián)為負(fù)載供電。該系統(tǒng)不僅能夠使并聯(lián)電池組達(dá)到SOC均衡，也能在文獻(xiàn)[32]所提均衡拓?fù)浠A(chǔ)上減少電池系統(tǒng)所需的元件數(shù)。Ur Rehman等則為每塊電池配備獨(dú)立的DC-DC轉(zhuǎn)換器后，設(shè)計(jì)算法增加高SOH電池的放電深度，以提高電池衰減的一致性、延長電池組的整體壽命。
為此，對(duì)于上述并聯(lián)方案現(xiàn)有的電池不一致性問題，本文提出了一種針對(duì)后備電源的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)多時(shí)間尺度均衡方法，同時(shí)兼顧電池組組內(nèi)SOC均衡與電池組組間壽命均衡。即在電池模組組內(nèi)進(jìn)行旁路均衡使電池組在短時(shí)間尺度實(shí)現(xiàn)SOC均衡，在并聯(lián)電池模組組間進(jìn)行長時(shí)間尺度壽命均衡。若使用本文所提的均衡方法使得各并聯(lián)電池模組同時(shí)達(dá)到截止壽命，就可以一次性完成電池更換等工作，也能夠確保并聯(lián)型電池系統(tǒng)在作為備用電源期間各個(gè)模組的互為備份作用。所提的多時(shí)間尺度均衡方法不僅提高了鋰離子電池的利用率，也能確保備用電源的可靠性。
1 系統(tǒng)均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
本文所提的多時(shí)間尺度旁路均衡采用如圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖2所示并聯(lián)電池模組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠根據(jù)負(fù)載需求調(diào)整輸出端電壓以及電流，也可以根據(jù)電池模組的性能獨(dú)立調(diào)節(jié)各電池模組的電流。電池模組內(nèi)部串聯(lián)電池組的旁路均衡拓?fù)淇梢酝ㄟ^開通/關(guān)斷開關(guān)，旁路任意電池單體，以此實(shí)現(xiàn)電池組組內(nèi)單體SOC均衡。以電池模組內(nèi)部串聯(lián)電池組的3塊不同SOC的電池單體為例。若電池組處于放電狀態(tài)，則開通開關(guān)①②④，關(guān)斷其余開關(guān)，旁路能量最少的電池單體。若電池組處于充電狀態(tài)，則開通開關(guān)①③⑤旁路能量最高的電池單體。采用圖2所示模組并聯(lián)的模式，若此時(shí)模組2出現(xiàn)故障，則通過DC-DC轉(zhuǎn)換器調(diào)控使其輸出功率為0，而其余電池模組仍然正常工作使得系統(tǒng)依然能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。若采用傳統(tǒng)的串聯(lián)技術(shù)，模組2出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)停止工作。所以，這不僅避免了串聯(lián)電池組固有的木桶效應(yīng)，又能使不同并聯(lián)電池模組之間互為備用，顯著提高直流系統(tǒng)的安全性、可靠性。另外，對(duì)于各并聯(lián)電池模組而言，可以提前將電池單體按照性能一致性分組，降低串聯(lián)電池組組內(nèi)SOC均衡的難度，加快組內(nèi)SOC均衡的速度為下一步模組之間壽命均衡提供有利的時(shí)間條件。
2 均衡算法
本文所提對(duì)串并聯(lián)電池組的多時(shí)間尺度均衡方法：在短時(shí)間尺度內(nèi)，使串聯(lián)電池組組內(nèi)SOC在短時(shí)間內(nèi)快速達(dá)到均衡；在長時(shí)間尺度上，根據(jù)并聯(lián)電池模組的老化程度調(diào)節(jié)其充放電深度，以此實(shí)現(xiàn)壽命均衡。圖3描述了均衡算法中長短時(shí)間尺度均衡如何協(xié)調(diào)：當(dāng)串聯(lián)電池組組內(nèi)SOC在短時(shí)間快速達(dá)到均衡后就可以啟動(dòng)長時(shí)間尺度壽命均衡。
2.1 基于功率加權(quán)的長時(shí)間尺度壽命均衡控制算法
并聯(lián)電池模組壽命均衡的本質(zhì)是根據(jù)各模組的健康狀態(tài)控制電池的放電深度，整體原則為：剩余壽命越少，則該組電池模組的放電深度越淺；剩余壽命越多，則該組電池模組的放電深度越深。結(jié)合本文的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用DC-DC轉(zhuǎn)換器調(diào)控各電池模組的發(fā)出功率，就可以達(dá)到控制模組放電深度的目的。故根據(jù)上述原理，本文提出了基于功率加權(quán)的壽命均衡控制算法，如圖4所示：首先計(jì)算各電池模組應(yīng)該提供的補(bǔ)償SOC；然后將各電池模組的容量除以參考容量，得到關(guān)于荷電量的權(quán)重因數(shù)，并利用該因數(shù)去修正各電池模組的SOC(即歸一化)。最后，再將各電池模組的SOC除以各電池模組SOC之和，得到關(guān)于功率的權(quán)重因數(shù)，并根據(jù)該因數(shù)和補(bǔ)償SOC得到各電池模組需要提供的實(shí)際功率。算法的具體內(nèi)容如下：
圖4 長時(shí)間尺度壽命均衡控制算法流程
式中，P為負(fù)載所需的總功率；Pi為各并聯(lián)模組應(yīng)提供的輸出功率。根據(jù)上述方法控制電池模組的放電深度，會(huì)使得健康狀態(tài)較好的電池模組放電深度更深，健康狀態(tài)不高的電池模組放電深度更淺。該方法使所有并聯(lián)電池模組充放電呈現(xiàn)良性循環(huán)，最終使各電池模組同時(shí)達(dá)到截止壽命，減少更換電池的次數(shù)，方便運(yùn)維與梯次利用。
2.2 基于SOC旁路的短時(shí)間尺度串聯(lián)電池組均衡算法
串聯(lián)電池組SOC旁路均衡算法的基本策略是：根據(jù)電池組SOC值的標(biāo)準(zhǔn)差判斷電池組是否需要均衡。若電池組SOC的標(biāo)準(zhǔn)差小于所設(shè)定的閾值，表示電池組SOC不需要均衡，則電池組串聯(lián)運(yùn)行。若電池組SOC的標(biāo)準(zhǔn)差大于所設(shè)定的閾值，則需要對(duì)電池組進(jìn)行旁路均衡。假定電池組需要旁路Nbypass塊單體，判斷此時(shí)電池組的充放電狀態(tài)。若電池組放電，則通過控制開關(guān)陣列旁路Nbypass塊能量最低的電池單體；若電池組充電，則通過控制開關(guān)陣列旁路Nbypass塊能量最高的電池單體。該算法的流程如圖5所示。
圖5 短時(shí)間尺度SOC均衡算法流程
3 仿真驗(yàn)證
3.1 電池模型
通過使用插值法能夠根據(jù)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)獲得特定區(qū)間內(nèi)的未知量，以解決上述電池建模過程測(cè)量點(diǎn)離散的問題。為了得到對(duì)應(yīng)于區(qū)間SOC∈[0%，100%]以及Ahthroughput∈[0，∞]內(nèi)的未知參數(shù)，本文使用如下三階埃爾米特插值方法：
3.2 算法驗(yàn)證
為了驗(yàn)證所提算法的效果，設(shè)計(jì)了3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建了由3組電池模組并聯(lián)組成的小型儲(chǔ)能系統(tǒng)，其中3個(gè)并聯(lián)電池模組由6塊電池單體串聯(lián)組成(6S3P)，且設(shè)定恒功率負(fù)載為P=500 W。圖10為儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真示意圖，控制器中包含完整的均衡算法。控制器根據(jù)電池模組電壓、SOC、容量等參數(shù)輸出電池模組需要輸出的功率并將該功率反饋給各電池模組。
為了驗(yàn)證所提均衡算法的有效性，設(shè)計(jì)了3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)：
圖11(a)～(c)分別為3組實(shí)驗(yàn)中各電池模組的容量隨時(shí)間變化的曲線；圖12(a)～(c)分別為實(shí)驗(yàn)1中各電池模組組內(nèi)電池單體的SOC隨時(shí)間變化的曲線；圖13和14的子圖分布則與圖12相同。圖15分別為實(shí)驗(yàn)1～3中6S3P小型儲(chǔ)能系統(tǒng)中每個(gè)并聯(lián)模塊到達(dá)截止壽命的時(shí)間。由圖11(a)可知，使用本文所提均衡算法后，老化程度不同的模組可以同時(shí)達(dá)到截止壽命(即EOL_M1=EOL_M2=EOL_M3)。圖11(b)、(c)顯示，僅對(duì)電池模組組內(nèi)使用SOC均衡以及電池模組組內(nèi)、組間均不使用均衡算法并不能在長時(shí)間尺度上使各電池模組同時(shí)達(dá)到截止壽命(即EOL_M1>EOL_M2>EOL_M3)。圖11的結(jié)果表明本文所提的多時(shí)間尺度均衡算法是有效的。
由圖12可知，使用本文所提的均衡算法后，各電池模組在工作過程中其組內(nèi)SOC能夠保持一致。但放電深度不同，即：健康狀態(tài)最好的電池模組M1放電深度最深，老化程度最多的電池模組M3放電深度最淺，這是電池模組在長時(shí)間尺度保持壽命均衡的關(guān)鍵之處，也表明了所提多時(shí)間尺度均衡策略在長短時(shí)間尺度上均衡的有效性。雖然從圖13可以看出在僅對(duì)電池模組組內(nèi)使用SOC均衡的條件下，各并聯(lián)電池模組內(nèi)電池單體SOC能夠均衡。但是放電深度并沒有根據(jù)并聯(lián)模組的老化程度不同而有所區(qū)別。所以實(shí)驗(yàn)2所實(shí)現(xiàn)的均衡過程對(duì)實(shí)現(xiàn)電池模組長時(shí)間尺度的壽命均衡沒有積極意義。而圖14則顯示電池模組組內(nèi)、組間均不使用均衡算法時(shí)，并聯(lián)模組內(nèi)電池的單體SOC不僅無法保持均衡，各電池模組的放電深度幾乎達(dá)到了100%。
根據(jù)圖15可知，實(shí)驗(yàn)1中M1～M3的壽命分別為693298 s、693083 s、693084 s；實(shí)驗(yàn)2中M1～M3的壽命分別為684051 s、660828 s、634667 s；實(shí)驗(yàn)3中M1～M3的壽命分別為711607 s、687305 s、660229 s。另外，實(shí)驗(yàn)1中各模組的平均壽命差為143 s，最大壽命差為215 s，實(shí)驗(yàn)2中各模組的平均壽命差為32923 s，最大壽命差為49384 s，實(shí)驗(yàn)3中各模組的平均壽命差為34252 s，最大壽命差為51378 s。故由3組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知實(shí)驗(yàn)1中3個(gè)并聯(lián)模組的壽命幾乎相同，而實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3中的3個(gè)并聯(lián)模組的壽命差則非常大。對(duì)于實(shí)驗(yàn)2和3的情況而言，若M2和M3提前達(dá)到截止壽命時(shí)，各個(gè)并聯(lián)模組之間不再具備互為備用的關(guān)系，系統(tǒng)可靠性降低，需要運(yùn)維人員及時(shí)更換電池模塊。而并聯(lián)的電池模組數(shù)目越多，運(yùn)維的成本也就越大。若將本文所提方法應(yīng)用到實(shí)際場(chǎng)站，則可以在整個(gè)運(yùn)行過程中始終保障備用電源系統(tǒng)的高可靠性，且僅需在各個(gè)模組到達(dá)截止壽命時(shí)，對(duì)備用電源進(jìn)行一次運(yùn)維。另外，圖15中，實(shí)驗(yàn)1中各電池模組的平均壽命為693155 s，實(shí)驗(yàn)2中各電池模組的平均壽命為659849 s。故對(duì)比實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2可知，在使電池模組組內(nèi)電池單體的SOC保持一致的基礎(chǔ)上，使用本文所提的多時(shí)間尺度均衡算法可以延長系統(tǒng)的平均壽命。這也間接說明僅考慮電池短時(shí)間尺度的均衡，不考慮電池長時(shí)間尺度的均衡，并不能在長時(shí)間尺度最大化利用電池的能量。
綜合對(duì)比3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知文章所提的均衡算法具有以下優(yōu)勢(shì)：①電池模組組內(nèi)在電池工作的過程中可以一直保持SOC均衡，避免了電池單體出現(xiàn)過充或者過放等現(xiàn)象。②并聯(lián)電池模組可以同時(shí)達(dá)到截止壽命，避免電池模組多次更換，減少運(yùn)維成本。
4 結(jié)論
為解決備用電源傳統(tǒng)串聯(lián)技術(shù)方案的“木桶效應(yīng)”以及并聯(lián)型方案電池模組組內(nèi)SOC、組間壽命等的不一致性問題，提出了一種針對(duì)并聯(lián)型鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的多時(shí)間尺度均衡方法。該方法的核心思路是在電池模組組內(nèi)進(jìn)行旁路均衡使電池組在短時(shí)間尺度實(shí)現(xiàn)SOC均衡，在并聯(lián)電池模組組間進(jìn)行壽命均衡，使各電池模組在長時(shí)間尺度上達(dá)到統(tǒng)一的截止壽命。
為了合理設(shè)計(jì)該均衡方法，根據(jù)電池工作特性設(shè)計(jì)了包含電池模組組內(nèi)SOC旁路均衡算法和基于功率加權(quán)的壽命均衡控制算法的多時(shí)間尺度均衡算法。為了驗(yàn)證所提均衡算法的可行性以及有效性，對(duì)鋰電池進(jìn)行了HPPC以及加速老化測(cè)試，然后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了鋰電池電-老化模型。最后，設(shè)計(jì)了3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示文章所提的多時(shí)間尺度均衡算法不僅可以保持電池模組組內(nèi)SOC均衡，也能在長時(shí)間尺度上讓各電池模組同時(shí)達(dá)到壽命終止，兼顧單體SOC的一致性和電池模組壽命的一致性。這不僅解決了串聯(lián)電池組的木桶效應(yīng)，也減少了電池的更換次數(shù)，降低系統(tǒng)的運(yùn)維成本。
