新型光伏鋰電無均衡管理儲能發電系統分析

付 龍

（山東理工職業學院，山東 濟寧 272067）

太陽能作為一種可再生資源，在光能運用過程中有著廣闊的前景。據相關研究表明，當前光伏發電系統已經被廣泛運用于實際產品生產中，并且從市場反應來看，也取得了較好的效果，因此，在未來發展過程中將會有更廣闊的發展空間[1-3]。

1 新型光伏鋰電池的由來及發展

光伏發電系統在設計過程中，會存在多種技術問題，其中儲能技術則是不可忽視的一項重要內容。鋰離子電池由于循環壽命周期相對較長，并且使用過程中性能相對適中，因此，成為了光伏儲能系統中的首選電池材料。但是，鋰電池具體使用過程中，由于需要電池進行大量的串聯后使用，因此，這個過程中會涉及到相應的均衡問題，這在一定程度對于電池儲能問題會帶來很大影響。當前針對這一問題，雖然相關研發公司做出了合理的改善措施，但是仍存在或多或少的問題。同時，光伏鋰電儲能系統拓撲結構，也是在這個基礎上開發出來的，即光伏電池組合完成通過功率控制單元與鋰電池組配合使用。其中這個過程中電池的沖放電問題由能量管理系統調適，對于電池均衡過程通過相應的管理系統實現。由于這個過程中電池均衡系統，需要對于所有電池單體進行合理監控，因此，涉及到的電池組越多，那么均衡器管理中的存在的問題也相對較復雜，工作效率也會隨之下降。

針對這一問題，相關研究者提出一種新型的分布式光伏發電系統的拓撲結構，具體設計過程中，是采用一種新型的無均衡設計技術，該設計過程中運用的是新型的光伏電池儲能發電系統模組拓撲結構，這項技術是通過電壓匹配的鋰電池單體或者多體進行并聯的方式，然后與光伏電池模塊相耦合，這樣就可以直接省去了鋰電池均衡管理相關程序，從而達到了模組簡化設計的目的。此外，采用該技術的光伏鋰電儲能模組能夠相關之間進行串聯或者并聯，并且單體鋰電池之前的容量差異性，不會產生不利影響。與傳統儲能系統相比較，新型光伏鋰電池儲能系統不僅設計更為簡潔，而且便于后期使用維護，因此，擁有更為廣闊的市場前景。

2 鋰離子電池模型及模組仿真

2.1 鋰離子電池模型

該次研究過程中，采用的是20A.h鋰電池，它是由24片850mA.h的TCL PL-383562聚合物鋰電池單體相互并聯成的。經過實際工作經驗可知，采用傳統的戴維南等效模型、阻抗模型以及RT模型等，在實際系統設計過程中可能會涉及電池響應方面的問題，因此，該次研究采用的是等效電力模型設計，采用這種設計的優勢在于，該等效電路模型在實際工作過程中相對更加精確，便于操作。該設計模型中，左側部分是由電容（Ccapacity）和電流源（Ibat），這部分設計主要涉及到建模鋰電池組的容量、荷電狀態。右側部分的RC網絡主要涉及到電池組的暫態響應程序。

2.2 模組仿真設計

該次研究過程中，模組仿真設計與實驗設計中是采用同樣的配置，即都是4個NBCM光伏鋰電池模組組合而成，其中存在的差異特征主要體現于控制單元的有效性方面，即在仿真設計過程中，中央控制系統及后級DC/DC、DC/AC電路問題上存在較大區別。

具體到仿真設計過程中，各鋰電池單體在初始SOC可分別設置為0.30、0.35、0.40以及0.45.仿真輻照度在0h～10h區間內呈現正旋半波變化，峰值輻照度數值為1000W/m2。這個設計中，由于MOSFET在工作過程中，電阻值相對較小，因此，仿真組設計中光伏電池電壓與鋰電池電壓并不存在較大的差異。這個過程中不會將電壓數值作為判據反向關斷條件，而是將其作為判據光伏電池對外供電的一項重要內容。模組仿真初始階段不會投入負載恒流源，在鋰電池充電過程中可以將充電闕值調至為4.0V，這樣能夠大大延長鋰電池的使用壽命。該組設計在實際工作中，分別在6.0h、6.5h、7.5h和8.4h切斷光伏電池供電，可投入模組運行模式，將之前的電壓分別調至4.0v、7.7v、11.2v和14.6v，在工作10h后，輻照度則降為0。同時發現當鋰電池單體電壓降至3.3時，該系統電壓闕值是3.25v，當4個模組在逐一切出，這個過程中電壓值也會呈遞減趨勢。

通過本次研究發現，仿真設計中的4模NBCM光伏鋰電儲能模組，在具體工作過程中能夠根據自身的負荷狀態自行調節相應的程序，且不會受到均衡管理算法的影響，這就進一步驗證了鋰電池不需要進行均衡管理的想法。同時，通過該次實驗還發現，模組在運用過程中，如果出現瞬間高壓的情況多是鋰電池充放電瞬間暫態變化所引發的。此外，與大量的NBCM模組串聯的高壓相比較而言，單一模組的投切影響較小，不會導致明顯瞬間高壓情況發生，并且少量的模組投切也不會對于系統的運行產生影響。

3 實驗驗證

3.1 鋰離子電池容量的選擇

鋰電池組作為設計中的一項重要儲存電能的元件，因此，在電池容量問題上需要進行嚴格的考量，這個過程中除了電池的電壓與終端電壓做到相互匹配外，單體鋰電池的容量也需要與相連的光伏面板輸出功率合理匹配。由于該研究中的重點內容是在驗證NBCM控制開關單元及整機模組功能等相關問題，因此，鋰電池單體的容量并沒有采取實際運行容量，僅僅是采用20A.h鋰電池容量作為實驗材料。

3.2 控制單元電路板

根據整體的設計系統的功能而言，控制單元可視為儲能發電系統中的一個重要部件，在系統正常運行過程中，可以通過耦合光伏電池面板與鋰離子電池單體達到相應的保護作用，具體包括鋰電池的沖、放電過程。考慮到電池組的最佳使用壽命，鋰離子電池的充電截止電壓、模組的供電切換電壓可設置在4.15v范圍內，模組的切出電壓可設置為3.25v，這樣能夠有效保護電池出現過沖、過放情況。同時，該組實驗過程中考慮到仿真設計與實際運用會存在一定的差異，因此，在該基本功能的基礎上可加入單穩態觸發閉鎖功能，從而達到保護元器件的作用。其中，單穩態在MOSFET正向降壓達到或者高于0.2v，則會自行觸發置位，單穩態反向電流達到0.5A，則會自行觸發復位。這個過程中，具體工作原理主要體現以下兩點內容：①在實驗開展中，當檢測到MOSFET正向壓降至0.2V時，使能MOSFET則會被導通引發閉鎖，單穩態被觸發置位。②當工作過程中，當輻照度降低至一定程度，則MOSFET則會瞬間出現方向電流，這個過程中MOSFET導通工作中可能會受到外界條件的限制，因此，控制單位在電流檢測問題上的設置元件，可采用阻值為10兆歐，精度系數為0.1%的電阻，并且可以通過電流檢測放大電路、RC濾波緩沖電路提供MOSFET驅動以及閉鎖判據。對于實現相應的閉鎖功能，則可以通過改變電壓Vth1、Vth2完成。

同時，單元控制工作設置可劃分為4個等級：第1級為模組對外供電，第2級為光伏電池面板切入供電，第3級為模組退出供電，第4級為PV面板切出供電。在實際工作過程中，首先需要對模組的輸出電壓和鋰離子電池端的電壓值，進行科學檢測，以此達到二者間的科學匹配。根據該次的實驗設計要求，控制電路設計過程中一般可主要分為3個部分：光伏電池與鋰離子電池單體耦合電路、控制邏輯與保護電路以及繼電器/MOSFET驅動電路。值得注意的是，光伏電路板的合理選型分割，能夠有效實現光伏電池的最大功率輸出，從而達到最大工作效能，因此，在實際工作過程中需要結合實際情況運用。此外，由于系統在實際工作過程中，采用的是低導通電阻的高效MOSFET以及相應的驅動電路，則最大程度提升了光伏鋰電池對于鋰離子電池單體電池的充電效率。加上與肖特基二級管近似直連的方式，最大優化了光伏電池與鋰電池單體之間的耦合組結構配置（30W光伏電池配置為例），則能夠將模組的整體工作效能提升約8%。

該次實驗中設置4個模組，通過實驗研究發現，當4個模組同時工作至57h后，模組1和模組3切入后，相應的輸入電壓升至8.2v，模組2和模組4分別在57.5h和62.5h切入供電后，則輸出電壓越級則較為明顯，系統工作81h后，可控電子負載以橫功率模式投入。白天該模組在實際運用過程中，由于處于有光的環境中，最大功率點的光伏電池在向電池負載供電的同時，也會向鋰電池進行供電；夜晚無光的環境，光伏電池則會停止工作，這時鋰電池則會有鋰電池完成負載供電，因此，這種工作模式下，4-NBCM模組在輸出端的供電電壓也會發生相應的變化。實驗期間，系統工作的第9天，由于輻照度不足，光伏電池則無法正常工作，因此，鋰電池的工作電壓也逐漸降至切換到闕值電壓，這樣導致模組一一退出供電。實驗過程中，由于模組3是最后切出，因此，在工作至212h～213h時承擔了所有的負載用電，并出現了電流的尖峰期。之后，第10日各方條件恢復正常，模組重新恢復到正常工作狀態。

通過本次實驗結果能夠發現，每個電池組工作過程中都需要設置相應的預設電壓闕值，并在此基礎上實現有效投切。同時，相關功能開關在相互切換過程中，是通過三態繼電器和簡單的暫態二極管續流電路，來實現模組的無縫投切，并且能夠保證每個NBCM模組中的單體鋰電池能夠正常充放電，且不會出現過沖、過放情況。這樣就進一步驗證了儲能系統以及無均衡管理方式的應用效果[4-6]。

4 結語

通過該次實驗研究發現，4-NBCM光伏鋰電池儲能模組，能夠獨立進行工作并完成有效的充放電相關管理效能。因此，由于本次實驗設計過程中，采用的無均衡管理拓撲光伏鋰電池儲能系統能夠取得較理想的設計效果，并且傳統設計過程中涉及到的鋰電池均衡管理、單體過沖等相關問題，在這個過程中也會得到有效解決，因此，改變了傳統系統安全中存在的不足。

同時，由于該實驗系統設計過程中，不需要均衡管理系統的參與，因此，系統的控制功能得到了最大程度的簡化，并且在上述功能運用到集成控制芯片中，選用低成本、低功耗的控制芯片則能夠正常的完成相應的工作程序，這樣大大節省了整體經濟支出。此外，通過控制器提供科學的數據上傳以及有效的荷電狀態估計，能夠實現系統智能化供電能力等相關內容的預測，這樣則能夠保證系統更為科學的運行。