分布式電池系統熱平衡控制設計

唐 康,劉振祥,2*,唐 丹,曹 原

(1.東南大學能源與環境學院,江蘇 南京 211189;2.大型發電裝備安全運行與智能測控國家工程研究中心,江蘇 南京 211189;3.中南大學自動化學院,湖南 長沙 410083)

近年來,分布式電池系統因其模塊化設計、靈活布局和易維護等優勢,在太陽能、風能等儲能系統中廣泛應用[1-4]。為提高系統性能和效率,人們引入了多種優化算法和拓撲結構。智能算法在系統參數調節中發揮著重要作用,可以提高電池均衡性、溫度管理和能量利用效率[1-2,5]。同時,新型拓撲結構旨在提高系統可靠性、靈活性和可擴展性。

為滿足實際應用對負載電壓或電流的需求,電池系統通過串聯或并聯多只電池,來提供更高的電壓、電流或容量[3-6]。然而,由于制造誤差和溫度不均勻等因素,電池可能出現失配問題,導致產熱不均勻,甚至可能引發熱失控等安全隱患[7-9]。實施電池系統的熱管理,是確保系統安全、穩定、高效運行的關鍵。

電池熱管理策略主要分為被動和主動兩類。被動策略使用傳熱散熱材料、結構等進行熱量散發,減緩電池的熱量積累,成本及復雜度低且能耗小,但易受周圍環境的影響。相比之下,主動策略依賴外部設備(如熱管和液冷系統等)來增強電池的傳熱通量,包括熱管冷卻、液體冷卻和混合冷卻等技術[7]。盡管主動策略能夠在各種環境條件下提供更強的熱量處理能力和更高的處理效率,但需要更多組件和能源,會增加整個系統的復雜度和成本。

在上述方法中,解決電池溫度的不均勻性是通過改進冷卻系統或采用冷卻材料來降低電池溫度,而非從源頭上控制電池的產熱量。文獻[8-10]指出,電池產熱量的差異是導致溫度不均勻性和荷電狀態(SOC)失衡的主要原因。盡管有多種拓撲和算法可以解決電池電荷不平衡問題,但對于改變拓撲結構和平衡算法對電池溫度均衡性的影響,相關研究相對較少。

為了解決電池產生熱量不均勻導致的熱失衡問題,本文作者提出了一個獨立輸入并聯輸出(IIPO)架構的電池系統,利用熱平衡控制回路、電池放電電流控制回路和電池功率模組(BPU)輸出電壓控制回路,通過調節功率轉換器的占空比,將調節后的輸出電壓保持在期望值,同時,通過調節每只電池的放電速率,將調節后的放電電流保持在期望值,從源頭上對電池產熱進行控制,以實現熱平衡。

1 分布式電池系統的拓撲結構

所提出的分布式IIPO 電池系統架構框圖如圖1所示,主要包括熱平衡控制器、直流(DC)-DC 升壓轉換器以及外部電路等。每只電池都連接到獨立的DC-DC 轉換器,構成BPU。

圖1 IIPO 結構的分布式電池系統架構框圖Fig.1 Distributed battery system architecture block diagram based on independent input-parallel output(IIPO)structure

在拓撲電路中,熱平衡控制器接收電池電壓Ucell1～Ucelln(n為該系統中電池的數量)、輸出電流Iout1～Ioutn、電池溫度θ1～θn、總線電流Ibus、電池放電電流Icell1～Icelln等信息,產生控制信號(即占空比D1～Dn),并將其輸出到各轉換器,以控制BPU 輸出電壓Uout(即總線電壓Ubus),使總線電壓保持在期望值。通過調節D1～Dn,可調節電池的放電電流,以控制電池發熱量,最終實現熱平衡的目的。

在所提出的電池系統中,采用低功耗DC-DC 轉換器來實現平衡功能,其拓撲電路原理圖如圖2所示。轉換器通過打開和關閉開關Sf1～Sfn和Ss1～Ssn來實現升壓功能,并將輸出并聯連接到低功率負載。系統中包括電壓回路補償器、熱平衡補償器、電流回路補償器和數字脈寬調制器(DPWM)等。電壓回路補償器用于調節總線電壓;熱平衡補償器用于實現電池熱平衡;電流回路補償器用于調節放電電流;DPWM 為每一個相位功率開關生成脈沖寬度調制(PWM)信號以用于交織。

系統運行時,電流和電壓等數據被傳輸到控制器中,控制器輸出控制信號(占空比D1～Dn)到轉換器中。在放電過程中,電流從電池流向負載,轉換器呈現升壓模式,占空比Dn作用于低端開關Ss1,其互補信號1-Dn則作用于高端開關Sf1。

2 熱平衡控制器的工作原理

電池放電期間,熱平衡控制器由3 個閉環控制回路,即BPU 輸出電壓控制回路、放電電流控制回路和熱平衡控制回路組成。系統控制回路框圖如圖3所示。

圖3 3 個閉環控制回路框圖Fig.3 Block diagram of three closed-loop control circuit

在總線電壓和放電電流控制回路中,將測量到的總線電壓與總線電壓參考值進行比較,然后將差值輸入到電壓補償器,如式(1)所示。在控制器設計中,使用數字比例積分(PI)補償器進行輸出電壓控制,傳遞函數如式(2)所示。

式(1)-(2)中:Dvol為電壓補償器的輸出;Ubus為總線電壓;Ubus_ref為總線電壓參考值;Gvol(z)為電壓補償器傳遞函數;z為復變量;KP_vol和KI_vol為PI 控制參數。

將電池放電電流參考值與實際放電電流之間的差額發送給電流補償器,再將各電流補償器的輸出值與電壓補償器的輸出相加,得到各轉換器的占空比,如式(3)和式(4)所示。電流補償器的傳遞函數如式(5)所示。

式(3)-(5)中:Dcurn為電流補償器的輸出;Icelln_ref為電池放電電流參考值;Gcur(z)為電流補償器傳遞函數;KP_cur和KI_cur為PI 控制參數。

由式(1)和式(4)推導,電壓補償器輸出與總線電壓成反比,同時與轉換器占空比成正比,因此,轉換器占空比隨著總線電壓增大而減小。根據式(3)和式(4),電流補償器輸出與電池放電電流成反比,且與轉換器占空比成正比,因此,轉換器占空比與電池的放電電流成反比。

在熱平衡控制回路中,比較各電池的實測溫度與平均溫度參考值,并將差額傳遞給溫度補償器。溫度補償器的輸出與數值1 相比的差額為溫度乘數。

各電池的平均溫度參考值如式(6)所示。溫度補償器的傳遞函數如式(7)所示。

式(6)-(7)中:θref為平均溫度參考值;Gtem(z)為溫度補償器的傳遞函數;KP_tem和KI_tem為PI 控制參數。

溫度乘數由式(8)計算,溫度乘數之和如式(9)所示。

式(8)-(9)中:α1～αn為溫度乘數。

如式(10)所示,電池放電電流Icell1～Icelln和溫度乘數α1～αn用于計算各電池的放電電流參考值Icell1_ref～Icelln_ref。

根據式(8),溫度乘數與電池溫度成反比。結合式(10),電池放電電流參考值與溫度乘數成正比,即與對應溫度成反比。通過控制放電電流參考值,并調節溫度乘數,可實現熱平衡。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗模型和參數

為驗證所提出的熱平衡控制器的性能,構建一個使用所提出的熱平衡控制策略的分布式電池系統的縮小原型,如圖4所示。

圖4 概念驗證實驗原型Fig.4 Proof-of-concept for experimental prototype

實驗樣機由4 只18650 型鋰離子電池(容量為3 600 mAh,正極活性物質為鎳錳鈷氧化物,廣東產)、4 個IIPO 配置的DC-DC 同步升壓轉換器和一個用于模擬直流總線連接外部電路的直流電子負載組成。同時,采用TMS320F28335浮點微控制器(美國產)實現熱平衡功能。該微控制器具有16 個模數轉換器(ADC)通道和6 個PWM 通道,最大采樣速率為12.5 兆次/s。

為了評估熱平衡控制器在熱平衡、總線電壓和放電電流調節方面的性能,控制器數值如表1所示。

表1 控制器的參數設計Table 1 Parameter design of the controller

3.2 平衡實驗的原理與結果分析

在實驗中,總線電壓保持在8 V,總線電流為5 A。根據式(9),在放電準備階段,將電池的溫度乘數的初始值設為1。不同初始溫度下的熱平衡過程見圖5。

圖5 不同初始溫度下的熱平衡過程Fig.5 Thermal equilibrium processes at different initial temperatures

在開始放電操作時,如表1 和圖5所示,各電池初始溫度不同且最大溫度差為3 ℃,滿足平衡電路的啟動條件,因此熱平衡算法啟動。檢測到θ1＜θ2＜θref＜θ3＜θ4,則對應的溫度乘數α1＞α2＞α3＞α4。又因電流平均值相同,所以放電電流參考值Icell1_ref＞Icell2_ref＞Icell3_ref＞Icell4_ref。通過電壓補償器的作用,總線電壓維持在8 V;再通過電流補償器作用,Icell1＞Icell2＞Icell3＞Icell4。電池1～4 的產熱速率逐漸降低,是實現電池間熱平衡所必要的。隨著電池系統的運行,逐漸實現溫度平衡,并且各電池溫度乘數相等、放電電流相等。

在電池正常條件下(使用全新電池時)進行熱平衡實驗。在61.5 min 時,熱平衡算法啟動,通過監測因電池溫度變化引起的溫度乘數變化,來調節放電電流,以控制產熱量。電池的溫度變化滯后于溫度乘數和放電電流的變化。

在相同初始溫度下,電池正常、電池異常(電池健康狀態和內阻差異較大)時的熱平衡過程分別見圖6、7。

圖6 相同初始溫度下電池正常時的熱平衡過程Fig.6 Thermal balance process of normal battery at the same initial temperature

從圖6 可知,增大溫度乘數可以增大放電電流,從而加快熱量的產生。

從圖7 可知,在32.5 min 時,溫度平衡算法啟動。在初始平衡階段,溫度較低的電池具有更高的放電電流,因此產生了更多的熱量,溫度上升的速度也更快。隨著時間的推移,各電池的溫度逐漸接近。在55.0 min 時,電池系統實現了熱平衡,此時溫度乘數與電池放電電流達到平衡。由于電池的健康狀態和內阻不同,即使在實現熱平衡的情況下,不同電池的溫度乘數和放電電流仍有差異。即使在電池異常情況下,熱平衡控制器仍能保持良好的動態平衡性能,與理論分析一致。

圖7 相同初始溫度下電池異常時的熱平衡過程Fig.7 Thermal balance process of abnormal battery at the same initial temperature

在不同初始溫度時、相同初始溫度下電池正常與異常時進行實驗,所得到的電池熱成像圖見圖8-10。

圖8 不同初始溫度下的電池溫度(45.0 min 時)Fig.8 Battery temperature at different initial temperatures(45.0 min)

從圖5 和圖8 可知,在45.0 min 時電池已經達到熱平衡狀態,4 只電池的溫度均為28.8 ℃。

從圖6 和圖9(a)可知,在60.0 min 時熱平衡算法尚未啟動,此時電池最大溫差約為0.6 ℃。當不執行熱平衡算法時[見圖9(b)],在89.0 min 時最大溫差達到1.0 ℃。從圖6 和圖9(c)可知,當在61.5 min 時執行熱平衡算法,在89.0 min 時即可實現熱平衡,電池的溫度均為27.6 ℃。從圖7 和圖10(a)可知,在32.5 min 時,電池的溫度差值達到3.2 ℃。當不執行熱平衡算法時[見圖10(b)],在73.0 min 時最大溫差達到5.9 ℃。從圖7 和圖10(c)可知,當在32.5 min 時執行熱平衡算法,在73.0 min 時即可實現熱平衡,電池的溫度均為48.9 ℃。圖8-10 的結果,可以較好地驗證熱平衡控制器的性能。

圖9 相同初始溫度下電池正常時的溫度Fig.9 Temperature of normal battery at the same temperature

圖10 相同初始溫度下電池異常時的溫度Fig.10 Temperature of abnormal battery at the same temperature

4 結論

本文作者提出一種基于分布式的IIPO 電池系統架構中的熱平衡控制方案,通過熱平衡控制器調控BPU,以實現電池之間的熱平衡并向負載穩定供電。

相較于大多數現有的依賴于輸出調節的平衡方法,所提出的控制器增加了電流調節來提高輸出并聯能力和模塊性,并確保系統的穩定性和動態性。此控制方案也不需要額外的平衡電路和轉換器,可以降低電池系統的設計復雜性。

此控制方案引入熱平衡控制回路、電池放電電流控制回路和BPU 輸出電壓控制回路,共同調節轉換器的占空比,可最大程度地減小電池之間的不均勻產熱并維持總線電壓穩定,為電池長期安全使用和高功率供應性能提供系統控制策略。