并聯(lián)電池組防互充拓?fù)潆娐返墓?jié)能研究

海 濤，范攀龍，楊嘉芃，黃光日，李梓琿

（1.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.南寧學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣西 南寧 530299；3.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)責(zé)任有限公司，廣西 貴港 537000）

0 引言

儲(chǔ)能電池的使用能有效提高間歇性電能品質(zhì)。“雙碳”目標(biāo)的提出將會(huì)促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源具有間歇性的特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)其連續(xù)供電，通過電池進(jìn)行電能的存儲(chǔ)與使用尤為重要。蓄電池很少單獨(dú)使用，大都是以電池組的形式使用，通過單體電池的串、并聯(lián)提高電池組的儲(chǔ)能容量。但即使是同型號(hào)、同批次的電池也會(huì)存在電壓、內(nèi)阻、容量上的差異，即單體電池的不一致性是造成電池組使用壽命低于單體電池的主要原因，而電池的不一致性也是目前無法消除的缺陷。電池組并聯(lián)工作時(shí)，單體電池之間由于不一致性而進(jìn)行頻繁地相互充電，會(huì)造成能量浪費(fèi)及電池過熱而損壞電池。對(duì)此有研究人員提出了一些解決措施，通過串聯(lián)二極管避免單體電池間的互相充放電，但二極管工作的同時(shí)也會(huì)造成多余電能的損耗。

本文對(duì)傳統(tǒng)防互充拓?fù)潆娐罚ê?jiǎn)稱傳統(tǒng)拓?fù)潆娐罚┑墓ぷ髟磉M(jìn)行了描述，設(shè)計(jì)了一種新型防互充拓?fù)潆娐罚ê?jiǎn)稱新型拓?fù)潆娐罚┙Y(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)拓?fù)潆娐饭δ艿幕A(chǔ)上，消除二極管的損耗。該新型防互充拓?fù)潆娐凡捎美^電器與二極管并聯(lián)，通過判斷電流狀態(tài)，控制繼電器消除二極管損耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)防互充的功能。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明該新型拓?fù)潆娐肪哂锌尚行浴?/p>

1 單體電池建模分析

根據(jù)電池的特性對(duì)電池進(jìn)行建模分析。常見單體電池的模型有等效電路模型、電化學(xué)模型等，其中以等效電路模型應(yīng)用最為廣泛。等效電路模型有Thevenin 模型、PNGⅤ模型、Rint 模型、Rc 模型等。其中，Thevenin 模型根據(jù)電池內(nèi)部的性質(zhì)進(jìn)行搭建，能夠很好地模擬電池的內(nèi)部特性。為了更清晰地展示不同拓?fù)潆娐穼?duì)電池儲(chǔ)能所產(chǎn)生的影響，采用該模型進(jìn)行仿真。圖1所示為Thevenin單體電池模型。

圖1 Thevenin單體電池模型

其內(nèi)部參數(shù)含義如下：為電池的開路電壓；為電池內(nèi)阻；為極化電容；為極化電阻；為輸出電流；為極化電容兩端電壓；為輸出電壓。

通過Thevenin單體電池模型可知，電池在工作時(shí)內(nèi)阻損耗不可避免。由于每塊電池的內(nèi)阻、極化電阻、極化電容難以統(tǒng)一，導(dǎo)致每塊電池在使用時(shí)輸出電壓（）不一致，造成并聯(lián)電池組的單體電池間頻繁相互充放電現(xiàn)象的發(fā)生，降低電池組的平均使用壽命；因此，需要采用必要的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)來消除這一缺陷，以提高電池組的工作效率。

2 并聯(lián)電池組電路拓?fù)湓矸治?/h2>

2.1 傳統(tǒng)防互充電池組拓?fù)潆娐?/h3>

傳統(tǒng)拓?fù)潆娐肥抢枚O管單向?qū)ㄌ匦詠韺?shí)現(xiàn)的。將二極管串聯(lián)到電池組的每一個(gè)單體電池支路中，阻斷不同單體電池間由高電壓向低電壓電池充電時(shí)的反向電流。傳統(tǒng)拓?fù)潆娐啡鐖D2所示。為了便于分析與模擬驗(yàn)證，選擇3個(gè)單體電池并聯(lián)組成電池組進(jìn)行模型搭建與分析。如圖2 所示，D、D、D為單向?qū)ǘO管，二極管的導(dǎo)通管壓降記為；S為干路上的主開關(guān)，控制電池組與負(fù)載之間的導(dǎo)通與關(guān)斷；為模擬負(fù)載，流過的電流為，其兩端的負(fù)載電壓記為。

圖2 傳統(tǒng)防互充電池組拓?fù)潆娐?/p>

通過該拓?fù)潆娐房梢杂行П苊獠⒙?lián)電池組之間相互充放電的現(xiàn)象，但是該電路也存在一些缺陷，即二極管的導(dǎo)通管壓降（）會(huì)產(chǎn)生很大的損耗，從而降低電池組工作效率。此外，二極管在產(chǎn)生損耗的同時(shí)一定伴隨著熱量的產(chǎn)生，而電池組過熱則是導(dǎo)致蓄電池出現(xiàn)事故最多的原因，所以需要更加高效、安全的拓?fù)潆娐穪砣〈鷤鹘y(tǒng)的防互充拓?fù)潆娐贰?/p>

此時(shí)負(fù)載端的輸出電壓為各個(gè)支路中電壓的最大值，如式（3）所示。

同理可得，當(dāng)并聯(lián)電池個(gè)數(shù)為時(shí)，其輸出電壓表達(dá)式如式（4）所示。

在這種情況下，電池組的輸出功率如式（5）所示。

2.2 新型防互充電池組拓?fù)潆娐?/h3>

在傳統(tǒng)拓?fù)潆娐返幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)得到新型拓?fù)潆娐?，如圖3所示。

圖3 新型防互充電池組拓?fù)潆娐?/p>

新型拓?fù)潆娐返墓ぷ髟恚和ㄟ^各支路串聯(lián)電流傳感器（current transformer，CT，記為CT、CT、CT）獲取各個(gè)支路電流、、，由電流信號(hào)狀態(tài)控制每一個(gè)與二級(jí)管并聯(lián)的繼電器常開點(diǎn)，如圖3中的K、K、K。在電池放電時(shí)，電流通過繼電器開關(guān)流通可以消除二極管上的損耗。在繼電器損壞時(shí)，二極管也可以實(shí)現(xiàn)防互充的作用，但伴有較大的二極管損耗。繼電器狀態(tài)與電流關(guān)系如表1 所示，沿電池放電方向的電流狀態(tài)為1，無電流為0，反向電流為-1。電流傳感器檢測(cè)某路電流記為I，支路額定電流I，k為電流實(shí)時(shí)狀態(tài)。

表1 繼電器狀態(tài)與電流關(guān)系

在干路串聯(lián)繼電器開關(guān)K，其狀態(tài)由電池組輸出電壓（）控制，以此達(dá)到對(duì)電池組電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)的效果，實(shí)現(xiàn)電路欠壓、過壓保護(hù)的功能，避免因過充、過放對(duì)電池組造成的損害。該新型防互充電池組拓?fù)潆娐返姆烹娍刂七^程如圖4所示。在電池組欠壓時(shí)，通過控制繼電器開關(guān)統(tǒng)一閉合，由外接電源對(duì)電池組進(jìn)行充電。

圖4 新型防互充電池組拓?fù)潆娐房刂屏鞒虉D

該新型拓?fù)潆娐吩谡９ぷ鲿r(shí)的輸出電壓不同于傳統(tǒng)拓?fù)潆娐罚穗娐分胁淮嬖诙O管的管壓降，即電池組的輸出電壓為=。

此時(shí)輸出功率表達(dá)式如式（8）。在模擬負(fù)載保持不變時(shí)，=大于傳統(tǒng)拓?fù)潆娐返妮敵鲭妷?，故而輸出功率增加?/p>

在電池內(nèi)阻、極化電阻、極化電容以及負(fù)載相同的情況下，各支路電流均增大，這是因?yàn)槎O管的損耗在新型拓?fù)潆娐分斜焕^電器短路消除。硅二極管的正向?qū)ü軌航禐?.6～0.8 Ⅴ，此時(shí)在二極管處產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗為，近似等于管壓降與流過的各支路電流的乘積，如式（9）所示。

式（9）中，因二極管本身導(dǎo)通管壓降較低對(duì)的影響較小，各支路電流對(duì)的影響較大，在負(fù)載阻抗值較小時(shí)，電池組各支路電流會(huì)很大，其導(dǎo)通損耗會(huì)對(duì)電路造成很大的功率損失并且影響其正常輸出。

此外，二極管還存在開關(guān)損耗，包括截止損耗、開通損耗、關(guān)斷損耗，在二極管兩端電壓頻繁變化時(shí)開關(guān)損耗尤為突出。

開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的總和構(gòu)成二極管的工作總損耗，其不僅造成了能量的損失，且會(huì)產(chǎn)生較大的熱量。

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)拓?fù)潆娐愤@一缺陷，一般會(huì)在電路中加入散熱裝置以維持電池組安全穩(wěn)定地工作，導(dǎo)致電路的體積較大。新型拓?fù)潆娐穭t直接從根源上去除了二極管損耗，在提升電池組能量利用效率的同時(shí)避免了多余熱量的產(chǎn)生。不過繼電器本身也存在損耗，但是其損耗僅發(fā)生在觸點(diǎn)接通或切斷的瞬間。使用脈沖電壓激勵(lì)線圈，功率損耗一般小于1 W，在處于導(dǎo)通或斷開時(shí)，線圈不需要繼續(xù)通電，所以不產(chǎn)生功率損耗。

通過仿真對(duì)2種拓?fù)潆娐愤M(jìn)行驗(yàn)證，由仿真結(jié)果證實(shí)二極管管壓降對(duì)電池組的輸出功率有較大的影響。

3 仿真與結(jié)果分析

3.1 仿真過程

通過MATLAB軟件的Simulink模塊對(duì)傳統(tǒng)拓?fù)潆娐泛托滦屯負(fù)潆娐愤M(jìn)行模擬仿真。通過對(duì)仿真結(jié)果的觀察與分析，對(duì)2種拓?fù)潆娐返男ЧM(jìn)行比較。根據(jù)新型拓?fù)潆娐纺Ｐ鸵约翱刂屏鞒虉D進(jìn)行仿真模型的搭建，基于MATLAB/Simulink的防互充拓?fù)浞抡骐娐啡鐖D5所示。圖5中繼電器分別由支路電流、輸出電壓決定其閉合狀態(tài)，該模型可以實(shí)現(xiàn)新型電路和傳統(tǒng)拓?fù)潆娐返姆抡孢^程。當(dāng)取消繼電器信號(hào)輸入后，繼電器處于斷開狀態(tài)，即可獲得傳統(tǒng)型拓?fù)潆娐返姆抡娼Y(jié)果。

圖5 基于MATLAB/Simulink的防互充拓?fù)浞抡骐娐?/p>

3.2 結(jié)果與分析

取單體電池開路電壓為3.7 Ⅴ，假設(shè)單體電池的電池內(nèi)阻、極化電阻、極化電容相同，負(fù)載電阻假設(shè)為1 Ω，大功率的硅二極管正向?qū)ü軌航悼梢赃_(dá)到1 Ⅴ，在此以硅二極管導(dǎo)通管壓降的最小值0.6 Ⅴ為模擬實(shí)驗(yàn)管壓降的值。在以上假設(shè)條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，2種拓?fù)潆娐返姆抡娼Y(jié)果如圖6所示，分別對(duì)支路、干路電流以及輸出功率進(jìn)行了記錄與分析。

圖6 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）2種拓?fù)潆娐返姆抡娼Y(jié)果

3.2.1 2種拓?fù)潆娐分?、干路電流比較

通過仿真結(jié)果可以看出2 種拓?fù)潆娐返闹贰⒏陕冯娏饕约拜敵龉β侍攸c(diǎn)，以及在節(jié)點(diǎn)1、2、3處改變單體電池電壓來模擬單體電池的不一致性所導(dǎo)致的電壓差異。對(duì)比圖6（a）、圖6（b）發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)拓?fù)潆娐吩诠?jié)點(diǎn)1、2 處對(duì)應(yīng)支路的單體電池電壓下降，此時(shí)由于電壓不同會(huì)出現(xiàn)單體電池互充，二極管直接阻斷電流的反向，低壓支路電流直接降為0，干路電流保持穩(wěn)定輸出；新型拓?fù)潆娐吩谕N情況下，不僅能夠防止其相互充放電，而且由于支路缺少了二極管的管壓降，其支路、干路電流明顯高于傳統(tǒng)電路。

在節(jié)點(diǎn)3之后的電路處于關(guān)斷狀態(tài)，傳統(tǒng)電路在未斷開干路開關(guān)的情況下，電池組會(huì)一直處于放電狀態(tài)；而新型電路通過干路串聯(lián)繼電器開關(guān)，可以設(shè)置欠壓保護(hù)（模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)為2 Ⅴ），當(dāng)電池組電壓小于等于2 Ⅴ時(shí)，電路立即關(guān)斷，可以實(shí)現(xiàn)電池組欠壓保護(hù)和過壓保護(hù)。

3.2.2 2種拓?fù)潆娐份敵龉β时容^

通過圖6（c）、圖6（d）的輸出功率曲線可以發(fā)現(xiàn)，由于消除了正常工作時(shí)二極管的導(dǎo)通管壓降，新型拓?fù)潆娐返妮敵龉β视稍瓉淼?0.21 W提升到13.66 W，輸出功率提升較大。二極管的導(dǎo)通管壓降相對(duì)于電壓較高的電源影響不大，但是對(duì)于單體電池電壓較低的電池組工作效率來說卻是一個(gè)極大的提升。

對(duì)此進(jìn)行了不同單體電池電壓下的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，隨著并聯(lián)電池組電壓的升高，輸出功率逐漸升高，同時(shí)新型電路所減少的功率損耗也逐漸增加。對(duì)比表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過新型拓?fù)潆娐房梢源蠓岣卟⒙?lián)電池組的輸出功率。

表2 不同電壓下輸出功率的變化

3.2.3 2種拓?fù)潆娐纺芰坷眯时容^

隨著單體電池電壓的提升，雖然功率提升百分比下降，但是2 種拓?fù)潆娐返墓β什钪翟絹碓酱?，即隨著電池組電壓的提升，新型拓?fù)潆娐废噍^于傳統(tǒng)拓?fù)潆娐窌?huì)節(jié)約更多的能量；因此，新型拓?fù)潆娐穼?duì)改善電池組能量的利用率有較大的作用。為驗(yàn)證該新型電路對(duì)電池組能量利用效率的提升，針對(duì)2種電路的正常工作狀態(tài)，通過MATLAB/Simulink進(jìn)行電池組放電仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)的電池模型選用Simulink模塊內(nèi)自帶的鋰離子電池，其各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)如表3 所示，仿真電路模型仍使用圖5 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

表3 鋰離子電池基礎(chǔ)參數(shù)

鋰離子電池組放電過程的仿真結(jié)果如圖7 所示，此結(jié)果在不考慮對(duì)電池組欠壓保護(hù)的情況下，將電池組能量完全釋放。在電池組狀態(tài)相同的情況下使用新型拓?fù)潆娐份敵龅挠杏霉Υ笥趥鹘y(tǒng)拓?fù)潆娐罚f明電池組能量利用效率得到了有效提升；在穩(wěn)定工作期間（即輸出功率無大幅度變化），新型拓?fù)潆娐份敵龉β蚀笥趥鹘y(tǒng)拓?fù)潆娐?，此處功率的提升是因?yàn)橄硕O管的損耗。

圖7 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）2種拓?fù)潆娐冯姵亟M放電仿真結(jié)果

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)防互充拓?fù)潆娐返幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到了新型不可互充電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；通過電流狀態(tài)控制繼電器消除二極管損耗，同時(shí)降低電池組發(fā)熱量；基于MATLAB/Simulink 的仿真分析驗(yàn)證了新型拓?fù)潆娐返目尚行?。結(jié)果表明：新型拓?fù)潆娐肪哂蟹乐箚误w電池之間相互充放電的功能，工作環(huán)境得到改善，提高了電池組利用效率和使用壽命。該新型電路適用于電動(dòng)汽車以及風(fēng)光蓄電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。下一步將對(duì)該新型拓?fù)潆娐返某潆娺^程與放電過程進(jìn)行同步控制，通過進(jìn)一步仿真以及實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證其優(yōu)越性，希望能夠進(jìn)一步提高蓄電池組的充放電效率。