鋰離子電池儲能系統建模與控制策略研究

王志，唐云峰，熊雄，胡金芳

（中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083）

鋰離子電池儲能系統建模與控制策略研究

王志，唐云峰，熊雄，胡金芳

（中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083）

儲能對功率及能量的時間、空間遷移能力是解決間歇性電源并網輸出波動性、間歇性等一系列問題的有效措施［1-2］。其中，電化學儲能方式應用較為廣泛，但是其并網中的配置及不同工況對其充放電特性有較大影響。因此，需對電池儲能系統控制及充放電特性展開研究以滿足電池安全穩定運行、快速充放電響應和瞬時大功率輸出的要求。

鋰離子電池儲能以其結構簡單，循環壽命長等特點被逐步應用于間歇性電源發電領域［3-5］。文獻［6-8］從鋰離子電池本體內部的損耗角度，建立了等效模型，研究了鋰離子電池充放電特性；文獻［9］研究了不同充放電模式對鋰離子電池系統效率的影響。但是文獻［4］都是在理想充放電情況下，并沒有考慮含變換器的電池安全充放電控制模式及其不同工況下儲能系統的充放電動態響應能力。

基于此，為了更準確地研究鋰離子電池儲能系統的充放電特性，提出含DC/DC變換器的不同充放電模式控制策略研究。在分析并建立鋰離子電池儲能系統等效模型的基礎上，采用內環為鋰離子電池側電感平均電流控制，外環為恒功率、恒流和恒壓切換控制的DC/DC變換器雙閉環策略。以鋰離子當前電池荷電狀態和充放電功率作為輸入條件，建立模糊控制模塊對其SOC進行自適應控制，保證其安全運行同時，優化其運行工況。

1 鋰離子電池儲能系統建模

鋰離子電池儲能系統主要包括正負極板、電解質、隔膜與外殼等主要部件組成［8］，其工作原理如圖1所示。

在鋰離子電池工作時，通過鋰離子在正負極之間的移動來實現電池的快速充放電，而電池結構不會發生不可逆的變化。當電池充電時，鋰離子從正極分離，在負極中嵌入；當電池放電時，鋰離子從負極分離，在正極中嵌入［9-10］。

圖1 鋰離子電池工作原理結構圖Fig.1 Structure chart of Li-ion operating principle

為了反映出鋰離子電池的動態響應特性、輸入輸出的伏安特性以及荷電狀態隨充放電的變化特性［13-15］，本文建立了鋰離子電池簡化等效電路，如圖2所示。

圖2 鋰離子電池等效電路Fig.2 Equivalent circuit of Li-ion

為了防止鋰離子電池過充或過放，保證鋰離子電池端電壓工作于線性變化區，SOC取值為0.15～0.8［11］。其SOC隨充放電時間變化特性可表示為：

式（2）中，Pstack為鋰離子電池的輸出功率；Pn為額定功率；Tstep為仿真步長；Trated為鋰離子電池在額定功率輸出下的持續工作時間。

電壓Us為：式中，Vequilibrium為單體鋰離子電池均衡電勢；R為流體常數；T為溫度；F為法拉第常數。

2 基于雙向DC/DC的鋰離子電池充放電控制策略

為了提高系統運行穩定性與動態響應速度，本文采用互補型PWM控制的雙向DC/DC變換器，實現能量的雙向傳輸［12-13］，其鋰離子電池儲能系統的主電路框圖如圖3所示。

圖3 鋰離子電池儲能系統主電路框圖Fig.3 Circuit diagram of Li-ion energy storage system

從圖3可以看出，該儲能系統由鋰離子電池組、雙向DC/DC變換器、電壓型三相PWM逆變器以及并網電抗器組成。當電網向鋰離子電池充電時，逆變器做整流運行，為DC/DC提供前級恒定電源，而當鋰離子電池放電時，又通過逆變器實現向電網回饋能量，其中通過控制雙向DC/DC變換器可實現鋰離子電池的恒功率、恒流及恒壓等充放電方式。本文提出的雙向DC/DC控制結構如圖4所示。雙向DC/DC變換器采用雙閉環控制方式，其中電流內環采用鋰離子電池側電感平均電流模式控制，外環根據不同工況采用恒功率、恒電流、恒電壓3種控制模式切換［16-18］。

圖4 雙向DC/DC變換器控制框圖Fig.4 Control diagram of bi-directional DC/DC converter

圖4中Pref、Iref及Uref分別為充放電功率、電流和電壓給定值；Pbattery為電池功率；Udc為直流側電壓；IL為電感電流。

當鋰離子電池儲能系統處于頻繁無規則充放電時，將加速電池儲能壽命損耗，且當前充放電指令可能造成鋰離子儲能SOC接近上、下限，從而影響下一次充放電能力，因此有必要對其SOC進行控制。在如圖4所示的DC/DC控制模塊基礎上，加入SOC模糊自適應控制模塊如圖5所示。

圖5 soc模糊自適應控制框圖Fig.5 soc fuzzy adaptive control block diagram

在輸入變量中，Pb為經DC/DC控制環節后的計算輸出儲能充放電功率指令，SOCb為檢測并計算得到的當前剩余電量百分比，可用當前電量比上額定電量得到，輸出變量Kb為經模糊控制后輸出電池充放電功率指令修正系數，經剩余容量計算可得到以修正功率充放電后電池SOCb2值。建立模糊規則如表1所示，輸入、輸出隸屬度函數如圖6所示。

表1 模糊控制規則Tab.1 Fuzzy control rule

圖6 模糊控制輸入、輸出隸屬函數Fig.6 Input and output membership functions of the fuzzy control

其中，VS、S、MS、M、MB、B、VB、NB、NM、NS、PS、PM、PB分別代表非常小、小、中小、中、中大、大、非常大、負大、負中、負小、正小、正中、正大。

3 仿真分析

3.1 充放電特性仿真分析

為了驗證所提出的充放電控制策略的合理性及有效性，本文針對含雙向DC/DC變換器的10 kW鋰離子電池儲能系統進行仿真驗證。

以10 kW鋰離子電池儲能系統模型為基礎，分別在3 kW、5 kW、7 kW、10 kW充放電功率和80 A、100 A、120 A、140 A充放電電流工況下，對比鋰離子電池外部端電壓及充放電效率特性變化規律。

當鋰離子電池初始SOC為0.2時，分別以不同功率、電流進行一次循環充放電，其端電壓隨時間變化的響應波形如圖7所示。

圖7 不同充放電功率及電流下鋰離子電池端電壓特性Fig.7 Terminal voltage characteristic of Li-ion under the different charge-discharge power and current

從圖7可以看出，隨著充放電功率或電流的增加，端電壓的變化速率加快，其充電電壓升高的范圍隨之變大，而放電電壓降低的范圍也隨之增大，這是由于鋰離子電池內部損耗和寄生損耗造成的。這就容易造成電池端電壓越限，工作于不安全狀態。因此，為了保證鋰離子電池工作在安全充放電電壓范圍內及輸出電壓滿足使雙向DC/DC變換器正常工作的要求，需要適當地選取充放電模式。

設置不同充放電功率、電流為0～10 kW、0～200 A，使SOC在0.1到0.8之間變化，可以得到鋰離子電池充放電效率與荷電狀態及充放電功率、電流之間的變化規律，如圖8、圖9所示。由圖8、圖9變化曲線可以看出，不同充放電功率、電流和變化的荷電狀態對鋰離子電池系統的效率都有一定的影響。恒定充放電功率或電流下，隨著SOC的增加，效率有所提高；同時可以看出，當SOC在0.1～0.2時，效率相對較低，這是由于鋰離子電池工作在非線性區，造成能量的大量損失；而SOC在0.2～0.8變化時，其效率變化范圍相對較小。

圖8 不同荷電狀態及充放電功率下鋰離子電池充放電效率特性Fig.8 Charge-discharge efficiency characteristic of Liion under the different SOC and Charge-discharge power

圖9 不同荷電狀態及充放電電流下鋰離子電池充放電效率特性Fig.9 Charge-discharge efficiency characteristic of Li-ion under the different SOC and charge-discharge current

在SOC一定的情況下，隨著充放電功率或電流的增加，效率呈現出增高-穩定-降低的過程，當充放電功率或電流達到3.5 kW或60 A時，效率達到最高點，在此之后效率會有明顯降低。因此，由圖7效率圖可以看出，在進行鋰離子電池充放電選擇的時候，要綜合考慮其充放電模式、能量利用率、電池安全性等因素，從而達到鋰離子電池儲能系統的安全、有效利用。

3.2 SOC模糊自適應控制仿真分析

將1 kW鋰離子電池儲能運用到風光聯合發電場景中，其中風電為2 kW、光伏為1.5 kW，則建立模糊控制器后仿真結果如圖10所示。

圖10 待跟蹤功率及風光實際輸出功率Fig.10 Power to be tracked and actual output curve

圖10中待跟蹤功率為決策者根據當前系統運行情況下達的平滑風光輸出指令，即為待跟蹤功率指令，在實際運行中可根據當前調度計劃或經濟運行來確定，由于不是本文討論重點，在這里省去此步驟。由仿真結果可知，含有模糊控制器后，風光儲聯合發電系統能夠很好地跟蹤功率指令，滿足系統需求，這是因為鋰離子電池儲能充放電更加合理，能夠兼顧下一時刻充放電能力同時，較好的跟蹤上一時刻充放電指令。如圖11所示，含有SOC模糊自適應控制模塊和未含此模塊下鋰離子電池儲能SOC曲線。SOC1、SOC2分別為加入模糊自適應控制模塊前后鋰離子電池SOC曲線。

圖11 SOC曲線對比圖Fig.11 SOC curve comparison chart

由圖11可知，對鋰離子電池SOC進行模糊自適應控制后，其在充放電過程中SOC2值較SOC1始終維持在更平衡的狀態下，一方面利于下一時刻充放電的均衡性，另一方面優化電池運行工況，延長了其壽命。

4 結論

本文在鋰離子電池損耗等效電路模型基礎上，提出含雙向DC/DC變換器的鋰離子電池不同模式充放電控制策略，通過仿真研究，驗證了本文所提出的充放電控制策略的有效性，為確保電池儲能系統SOC值維持在合理水平，設計并建立了模糊自適應控制模塊對鋰離子電池SOC進行控制，通過風光儲聯合發電場景的仿真，其結果驗證了所建立模糊控制模塊的正確性。

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（編輯 徐花榮）

Li-Ion Battery Energy Storage System Modeling and Control Strategy

WANG Zhi，TANG Yunfeng，XIONG Xiong，HU Jinfang
（College of Information and Electrical Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

研究了含DC/DC變換器的鋰離子電池系統的充放電特性。以鋰離子電池等效電路為基礎，提出了電池側電感平均電流內環控制及恒功率、恒電流和恒電壓切換的外環控制DC/DC雙閉環策略。以鋰離子電池當前荷電狀態和充放電指令為輸入條件，建立模糊控制模塊，基于模糊理論對其充放電進行自適應安全控制。仿真結果表明所建立鋰離子模型及控制策略正確性有效性。

鋰離子電池；DC/DC變換器；充放電特性；控制策略；模糊控制

This paper presents a study on the chargedischarge characteristics of the Lithium-ion battery（Li-Ion）energy storage system containing the DC/DC converter.Based on modeling of Li-Ion equivalent circuit，this paper proposes a double closed loop strategy of the DC/DC converter where the inner loop is the average current control on Li-Ion side inductance and the outer loop is the switch control by the constant active power，the constant current and the voltage.Then，with the Li-Ion current state of charge（SOC）and discharge instructions as the input conditions，a Fuzzy Control Module is set up to control its charge/discharge adaptive.The simulation results have proved correctness and effectiveness of the control strategy for the Lithium-ion battery.

Lithium-ion battery；DC/DC converter；chargedischarge characteristic；control strategy；fuzzy control

1674-3814（2015）04-0119-05

TM912

A

2015-02-09。

王志（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統運行、控制與規劃；

唐云峰（1964—），男，副研究員，碩士，從事電力系統及其自動化研究；

熊雄（1988—），男，博士研究生，主要研究方向為電力系統穩定與控制、儲能技術。