一种全矾液流电池均衡控制方法.pdf

中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-116-四星推荐随着我国“双碳”目标的提出，新能源规模的日益扩大，发展大规模长时储能已成为解决新能源利用问题的关键技术。其中，全矾液流电池（Vanadium Redox Battery，VRB）以其循环寿命长、本质安全特性、较小容量衰减、全生命周期成本低等特性，受到了广泛关注。全矾液流电池是由多片单体电池串联而成。受电堆绝缘和工艺要求的影响，单体电池串联数量有限，单组电堆运行电压范围不会太高。通常为提高液流电池装置的输出电压和供电容量，需要将单组电堆经过拆分形成若干子电堆进行串联使用。但是，受电堆制造工艺（包括隔膜阻抗、双极板阻抗、电极阻抗以及管路面积等）、电解液浓度和流量影响，流过各电堆电解液反应物浓度存在不一致的情况，进而导致每个电堆荷电状态（State of Charge，SoC）存在一定差异，造成液流电池装置内部各串联电堆运行电压不均衡，运行效率降低，影响循环寿命。当前电池 SoC 均衡策略研究集中在液流电池能耗消纳方式开发。其中最常用的方法是在电池两端并联能耗型电路，通常为开关电阻型电路。该方法控制较为简单，但能量利用率低，容易局部过热。另一种常用方法是在电池间加入非能耗型电路，该方法目前主流方式有两类：一类是在电池组总输出及单体电池两端增加开关电容型电路，通过控制电池与电容之间的电气连接实现能量的转移，该方法相比能耗型电路，能量利用率得到提高，但是能量转移效率较低，同一时刻只能对一组电池进行能量转移；另一类是增加电感型电路，在电池间加入电感和开关型器件，来实现能量之间的流通，该策略相比电容型电路提高了能量转移效率，但目前的控制策略相对复杂，并且只能在相邻电池间进行能量交互，仍有提高效率的空间。为了解决全钒液流电池内部电堆SoC的均衡问题，提升装置运行效率，本文基于电感型均衡电路的思想，设计了一种改进型SoC均衡电路及其控制方法，其结构简单，可对各内部电堆独立控制，在实现各组电堆SoC均衡的基础上，提升了均衡速度，最后通过硬件在环实时仿真验证了该策略的可行性。均衡电路原理及其控制均衡电路原理本文设计的均衡电路如图 1 所示，该电路并联至内部液流电堆两端，主要由电感 L、电容 C 以及开关管 MOSFET构成硬件电路，R2、R3为对应电容电感的等效内阻，R1为行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种全矾液流电池均衡控制方法孙 逊 王 昊孙 逊 王 昊北京低碳清洁能源研究院通信作者：孙逊（1984），山东烟台，硕士研究生，工程师，研究方向：新能源并网控制技术。基 金 项 目：国 家 能 源 集 团 重 大 科 研 攻 关 项 目（S930023057）。-117-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期四星推荐均衡电路的能量泄放电阻。该电路通过控制 MOSFET 的开通与关断来调节电堆端进线电流大小，从而使流入不同电堆间的充放电电流存在差异性，以此来达到均衡电堆内部 SoC的目的。下面以电堆放电为例，通过开关器件 MOSFET 的开通和关断过程对电路进行详细分析。MOSFET 开通时均衡电路电流如图 1 红色虚线所示，此时均衡电路开通电流方程见式（1）。式中：Uin为输入电压；ton为开关管导通时间；ion为开关管导通时刻均衡电路电流。（1）MOSFET 关断时均衡电路电流如图 1 蓝色虚线所示，受电感电流连续运行特性影响，电感 L 与外部电路对电容 C 进行充电操作，此时，电感 L 与电容 C 构成谐振电路，电容两端电压会持续提升，且会超过液流电堆端电压，MOSFET 管两端的最大耐受电压由电容 C 两端最高电压决定。因此，为保证开关器件的可靠运行，设计电路时，除研究关断电流外，有必要对电容 C 两端电压进行分析。在关断时刻，电压始终满足关系如式（2）所示：（2）式中：toff为开关管导通时间；ioff为开关管关断时刻均衡电路电流。对式（2）进行拉氏变换与反变换后，得到电路的关断电流方程见式（3）所示：（3）将式（3）代入式（2）后，可得到电容 C 两端电压方程见式（4）所示：（4）对于充电过程，唯一不同的是电堆外部电流的流向为流入电堆方向，与放电过程外部电流方向相反，但均衡电路的开通关断电流与放电过程基本一致，因此对于充电过程不做重复分析。均衡电路控制策略根据设计的均衡电路，本文设计了对应的 SoC 均衡算法，具体策略见图 2 所示，其基本设计思想如下。（1）采集不同电堆的 SoC 信号，进行平均值计算，得到电池组的 SoC 平均值 SoCave；（2）将 不 同 电 堆 SoC 与 平 均 值 进 行 比 较，当SoCSoCave 时，该电堆对应的均衡电路启动；（3）均衡电路启动后，实时检测电堆 SoC，当电堆SoC 与 SoCave相近时，关闭此均衡电路。该算法控制方式简单，易于实现，能对单个液流电堆进行独立控制。在实际电路中，SoC 信号与液流电池端电压呈相关性，可通过检测实际端电压值计算获得。此外，可在检测控制算法中加入滞环比较进而完善该算法，避免各电堆SoC 与 SoCave数值接近时造成均衡电路的反复动作。均衡电路模型及参数设计模型设计基于对上述电路分析，本文通过 PLECS 仿真软件平台，搭建仿真计算模型。模型采用 4 组液流电堆串联、每组电堆两端加入均衡电路的模式展开验证分析。为便于计算，电池组外部的功率转换电路采用可控直流源代替，仿真模型如图3 所示。每组液流电堆模型采用等效电路的方法搭建，如图 4 所图 1 均衡电路原理图图 2 均衡控制算法流程图中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-118-四星推荐示，电堆模型主要包含 5 个部分：（1）SoC 计算模块；（2）堆栈电压计算模块；（3）泵损等效电路；（4）电堆内阻损耗等效电路；（5）电堆等效外部寄生损耗电路。该电堆模型可配置液流电池初始 SoC、额定容量及内阻损耗等参数，通过修改模型内部参数值可以模拟电堆管路流经内部电解液流量的差异性。本文液流电堆详细参数见表 1所示。表 1 液流电堆模型仿真参数参数名称数值单体电压1.4 V串联个数75额定容量10 kWh电池内阻 R10.078电池内阻 R20.052极化电容 C0.077F外部电阻29.9 均衡电路子模块采用上文描述方法搭建，具体模型如图5 所示。参数设计针对图 1 所示电路，本文开关器件选用 MOSFET，设 定 其 动 作 开 关 频 率 fsw=10kHz，输 出 PWM 占 空 比D=0.5，电感和电容内阻均取 1m，电阻 R1 用于设备停机时泄放电容 C 的能量，为降低电路损耗，设为 10k。根据液流电堆子系统均衡电路子系统半实物仿真平台与外部接口液流电堆子系统均衡电路子系统半实物仿真平台与外部接口图 3 PLECS 系统仿真模型图 4 液流电堆仿真模型图 5 均衡电路模型仿真模型设计，液流电堆两端电压在充电和放电过程中存在差异，因此，输入电压值存在不确定性，在设计计算时，取液流电池平均电压 Uin为 100V。该均衡电路中，电感和电容的选取至关重要，影响均衡电路整体运行效果，因此，在确定电感和电容具体参数前首先需要确定流入电感 L 稳态时的平均电流 IL，ave，电流纹波 IL，pp以及电容 C 的最高电压 UC，max。本文中，设计要求平均电流 IL，ave范围为 1015A，电流纹波 IL，pp为 2A 左右以及电容 C 的最高电压 UC，max不超过 400V。确定上述指标后，即可对电感电容进行进一步参数计算，其具体确定方法如下。对式（3）和式（4）求取一阶导数，结果见式（5）和式（6）。（5）（6）通过对式（5）的观察可以看出，在开关管关断过程，电流 ioff（t）的导数在初始始时刻大于 0，随着时间的推移，导数值慢慢减小至负数，这说明在开关管周期开通关断时，电流纹波的峰值出现在关断过程中。同时，为了使输出电流保持连续，要保证开通时刻的初始值等于关断时刻电流的终止值，即电流须达到下面要求：（7）将上述要求带入式（1）和式（3），得到开通和关断时刻的初值与终值如式（8）和式（9）所示。（8）（9）从公式（9）可以看出在开关管导通期间，外部液流电池对电感 L 进行充电，假设电流纹波上升过程均发生在开通时刻，则电感电流变化率可表示为式（10）。（10）将式（10）进行变换，并将给定参数代入，可计算得近似电感 L 值如下：-119-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期四星推荐由于开关管关断过程中，电感电流仍有上升趋势，即电流纹波在关断过程也出现过上升，因此根据式（10）计算的电感 L 最终结果必定偏小，不满足纹波电流要求，在实际设计过程中应对电感 L 值进行系数校正。通过式（6）可以看出，关断过程中电容电压 uc的导数始终大于 0，说明电容电压一直在增大，即电容两端最大值出现在关断过程结束时刻。基于上述分析，使用 MATLAB 优化工具箱 fminbnd 函数，结合选定 L 和 C 参数范围以及初始给定条件，求解不同参数下初始开通电流 ion（0）、初始关断电流 ioff（0）、电容电压 uc（toff）、最大电流 IL，max、平均电流 IL，ave和电流纹波 IL，pp，评估计算参数与设计参数是否相符，从中选取最优参数。最终得到 5 组设计值，见表 2 所示（结果保留小数点后 2 位）。表 2 MATLAB 仿真计算结果序号 L/H C/F ion（0）/A iL，max/A uc（toff）/V IL，max/A IL，pp/A11 0000.53.316.68366.3453.3721 00019.6913.08383.4511.383.3931 200110.2113.03386.2511.622.9241 2001.516.619.43390.8718.022.8351 0001.516.0919.48389.0317.793.39根据表 2 仿真结果分析，第 3 组和第 4 组参数对应电流纹波控制在 3A 以内，但是相比于第 3 组数据，第 4 组的平均电流和最大电流增大较为明显，且纹波电流减少不多，在实际电路中可能会造成较大的损耗，因此，本文选取第 3 组数据中的 L 和 C 作为均衡电路中的感值和容值。综上所述，本文实验的主要设计参数如表 3 所示。表 3 仿真实验参数参数名称数值开关频率 fsw16kHzPWM 占空比 D0.5电池容量10kWh电感 L 感值1 200H电容 C 容值1H电阻 R1 阻值10k电阻 R2 阻值1m电阻 R3 阻值1m实验控制系统设计控制系统采用低碳院实验室开发的控制电路板，该电路板控制器采用 FPGA+DSP+ARM 的内核结构，其中所用DSP 芯片为 TMS320F28335，通过搭配外围电路，对液流电池内部电堆 SoC 信号以及电压电流值进行采样，通过内部均衡控制算法计算，输出各均衡电路的控制使能信号，下发至 FPGA 芯片，由 FPGA 芯片作为执行器，输出控制均衡电路的 PWM 信号，ARM 芯片主要用于实现与上位机软件的交互，接收上位机的控制指令，并上传液流电池数据。图 6 硬件在环实时仿真平台（c）均衡电路电容及电堆端电压波形图 7 充电过程示波器记录波形（a）4 组电堆 SoC 变化波形（b）均衡电路及电堆电流波形中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-120-四星推荐25%，以100A电流充电为例进行实验，实验结果如图7所示。然后将初始给定 SoC 分别设置为 95%，90%，85%，80%，同样 100A 电流放电进行实验，实验结果如图 8 所示。通过图 7（a）可以看出，在液流电池充电过程中，运行开始时，3#和 4#电堆 SoC 高于平均值，均衡电路启动，对应充电速率放缓，随着各电堆 SoC 的逐渐提升，3#电堆的 SoC 首先趋近于平均值，均衡电路停止运行，最后，4#电堆 SoC 也与其他三组趋于一致，对应均衡电路停机。在 SoC 相差 15%、充电电流 100A 的情况下，2 600s 后SoC 趋于一致，均衡电路均停止运行，电堆间 SoC 最大差值在 0.4%以内。对于均衡电路充电过程运行分析如图 7（b）和图 7（c）所示，通过波形分析，电路电流平均值为 14.4A，电流纹波为 3.4A，电容两端最高电压 363V。由于充电过程中，模型对应的液流电堆端电压为 110V，高于设计时的假设条件100V，因此，运行电流平均值比表 2 中第 3 组结果的计算值高，但在设计要求范围之内。在放电过程中，通过图 8（a）观察看出，在运行开始时，1#和 2#电堆 SoC 高于平均值，均衡电路启动，对应放电速率提高，随着各电堆 SoC 的逐渐减小，2#电堆的 SoC 首先趋近于平均值，均衡电路停止运行，最后，1#电堆 SoC 也于其他三组趋于一致，对应均衡电路停机。在15%SoC 初始偏差下，经过大约 2 520s 各电堆 SoC 趋于平衡，电堆间 SoC 最大差值也在 0.4%以内。通过图 8（b）和图 8（c）分析，均衡电路平均电流约为 10.8A，电流纹波 3.3A，电容两端最高电压 330V。放电时，模型对应的液流电堆端电压为 90.6V，低于设计时的假设条件 100V，因此，运行电流平均值比表 2 中第 3 组结果的计算值低，满足设计要求。通过两组实验可以看出，该均衡电路可以满足液流电池内部各电堆容量均衡的要求，运行过程与设计的均衡算法预期一致，且能对各电堆独立控制，实际测试的电压和电流数据与设计要求接近，偏差在允许范围之内。结语本文针对液流电池装置各组电堆串联时出现的 SoC 不均衡问题，提出了一种基于传统电感型均衡电路的改进电路，并设计了相应的均衡策略算法，并基于硬件在环仿真实验平台对所提均衡电路拓扑及其控制策略进行了仿真实验验证。实验结果表明该电路能够较好的实现串联电堆间SoC均衡，均衡误差能够控制在 0.4%以内，其控制策略简单且易实现，可在同一时间段对多组电堆进行均衡控制。此外，通过对均衡电路内部器件进行参数分析计算设计，其结果能够满足运行电压和电流的期望指标要求。在实际运行中，也可根据本文算法思想结合期望的均衡时间、纹波电流、最高电压等参数设计满足实际需求的均衡电路参数。（c）均衡电路电容及电堆端电压波形图 8 放电过程示波器记录波形（a）4 组电堆 SoC 变化波形（b）均衡电路及电堆电流波形硬件在环实时仿真平台设计本文采用搭建硬件在环实时仿真平台进行验证。仿真平台选用用 PLEXIM 公司研发的电力电子半实物仿真平台RTbox2 用于模拟液流电池实物，通过与控制系统的电气接线连接实现平台搭建，仿真实验平台架构如图 6 所示。实验波形与结果实验过程中，液流电池内部各组电堆 SoC 值采用RTbox2 模型内部模块计算得到，并转化为电压信号进行输出采集记录，SoC 对应输出电压信号变比为 100%/10V。该 实 验 首 先 由 4 组 电 堆（VRB1、VRB2、VRB3、VRB4）初始给定 SoC 分别设置为 10%，15%，20%，