• 頭條基于任意單體間能量轉移的高效均衡策略
    2020-08-21 作者:劉征宇、嚴鵬、武銀行、許亞娟  |  來源:《電工技術學報》  |  點擊率:
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    導語合肥工業大學機械工程學院、安全關鍵工業測控技術教育部工程研究中心的研究人員劉征宇、嚴鵬、武銀行、許亞娟,在2019年第21期《電工技術學報》上撰文,基于任意單體間直接轉移能量均衡拓撲,提出一種新型高效均衡策略。 根據單體充放電特性曲線,采用安全系數重新劃定分區,設定整體剩余電量歸屬函數,并設定分段閾值修正因子函數;理論推導閾值中心點搜索過程的變化規律,以剩余電量均值為起點,采用預搜索方法迅速判定搜索方向,從而快速確定最優值;建立轉移信息矩陣與轉移過程模型,利用線性規劃方法求解轉移能量最優路徑。 該策略以剩余電量為均衡指標,對六節串聯鋰離子單體進行充放電均衡對比實驗。實驗數據表明,較其他均衡方案,本方案可以更高效、低耗地完成均衡目標,有效改善電池組的工作性能。

    鋰離子電池由于其優越的性能被廣泛應用于電子產品、新能源汽車及儲能系統等領域。均衡技術是鋰離子電池單體成組使用過程中改善不一致性的重要手段。其中,非消耗型均衡已成為了當前研究的熱點。

    基于非消耗型均衡方法,為進一步實現均衡過程的高效性與低耗性,現有的拓撲結構及均衡方法按其實現方式主要可分為三類。

    (1)減小開關自身損耗。有學者提出采用準諧振軟開關技術來實現開關零損耗的方法。此方法通過降低開關損耗,從而有效提高均衡效率,是一種適應性較強的低耗方法,但是諧振電路也在一定程度上增加了電路的復雜度。

    (2)避免能量轉移帶來開關損耗。有學者提出了一種“屏蔽”均衡拓撲電路,此方法消耗較低,適用于充電過程,對充電輸出電流要求較高。有學者提出了一種基于電池性能實驗的分段充電電流曲線,根據電池狀況設置不同的充電電流,從而有效維持不一致性。此方法適用于單體初始差異較小的電池組。

    (3)通過合理的能量轉移路徑減小損耗。傳統的“削峰”均衡和“填谷”均衡分別只適用于充電和放電單過程,且均衡耗時相對較長。有學者提出了能夠實現相鄰單體間轉移能量的均衡拓撲結構,此拓撲結構可以簡單快速地實現相鄰單體均衡,但有時可能會導致較多無需均衡的單體參與均衡。有學者提出了一種利用額外存儲單元轉移能量的均衡拓撲電路,此拓撲的均衡策略較為簡單,集中收集與分配能量,操作次數固定。

    此外,任意單體間直接轉移能量的拓撲結構及均衡策略也先后被提出。有學者提出了一種實現任意單體間轉移能量的均衡拓撲電路,并簡略提出按荷電狀態(State of Charge, SOC)值高低進行配對轉移的策略。有學者提出了一種“最高電量單體與最低能量單體之間進行轉移能量”的策略,但未給出具體的轉移方法。有學者提出一種基于推挽變換器的模塊化電池均衡電路,可以有效縮短均衡路徑。

    本文基于任意單體間直接轉移能量的均衡拓撲結構,提出一種新型的均衡中心及均衡閾值設定方法,并通過建立均衡過程的數學模型,提出一種具體的能量轉移最優路徑的求解方法,發揮任意單體間轉移能量拓撲結構的靈活性,實現了能量轉移過程的高效與低耗。

    學術簡報︱基于任意單體間能量轉移的高效均衡策略

    圖5 實驗系統實物

    結論

    本文提出一種新型均衡中心點及均衡閾值設定方法,改善了傳統設定方法的弊端。并經過數學建模,求解得到均衡最優轉移路徑。經對比實驗驗證,本文提出的新型均衡方法可以提高均衡效率。此外,由于均衡操作對象是高電單體與低電單體,因此該策略可避免極端電量單體帶來的不良影響。

    下一步的研究工作可以從篩選最優路徑解向量出發,在操作次數相同且最少的情況下,通過合理的評判指標來進行進一步最優篩選。

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