基于无均衡管理的车用蓄电池—光伏单体发电系统

康静雅

摘要：随着电动汽车产业快速发展，其电池的处理成为越来越炙手可热的问题。其中一种是通过光伏储能进行梯次利用。传统光伏储能发电系统都是由光伏阵列和储能电池组经串并联构成的，易受光伏电池阴影效应及储能电池均衡性问题的影响，不适合具有很强参数不一致的退役电池。基于此，提出一种由单体光伏电池和单体储能电池构成的无均衡管理光伏储能发电系统。该系统中，单体光伏电池和与之电压、容量匹配的单体储能电池构成光伏储能模组，并联汇流至直流母线，向直流负载或经逆变器向交流负载供电。通过监测各部分的电压电流，对光伏储能模组进行工作模式间切换以实现模组内部独立控制。相比于单纯的将不同性能的废弃电池串并联作为蓄电池模组接上去，本单体通过无均衡管理避开蓄电池串并联的均衡模式问题，提高了蓄电池的使用效率，对电动汽车退役电池进行了有效利用。

关键词：电动汽车蓄电池；梯次利用；光伏储能发电系统；单体模组；均衡性

1背景

汽车蓄电池回收与利用：近年来电动汽车快速发展，与此同时带来了退役电动汽车蓄电池的回收问题。而电动汽车退役的蓄电池容量还能达到出厂容量的80%，尚且可以进行一系列储能应用。

然而，即使经过严格筛选的退役电池模组，在重新配对成组为系统之后，由于大多数电芯都已进入生命周期的中后期，其老化（劣化）速度不一，并且情况较刚出厂的电池要恶劣的多，突出表现为容量和内阻的差异越来越大，导致系统在可用容量和充放电功率方面越来越弱，可靠性问题严重。若作为传统太阳能发电储能电池，即将不同电池串并联成组供电，则可能由于电池特性不同影响发电效率，甚至造成电池损坏[1-5]。

光伏价格：作为一种取之不尽用之不竭的能源，太阳能有着无可比拟的优点：储量丰富、分布广泛、绿色环保等。但其在实际发电应用中也存在能量密度低、发电不稳定、系统可靠性低等问题。为了解决这些问题，又需要增加很多设备与投资：想要捕捉到尽可能大的功率，往往需要大面积的收集装置和高效率的转换设备，而目前的太阳能利用装置普遍效率低、成本高；为了提高系统稳定性，系统必须加入储能环节，

但目前蓄能仍是太阳能利用中较为薄弱的一个环节，同时也提高了太阳能发电的利用成本。由于日照强度，环境温度等自然条件的变化导致光伏发电不能持续稳定的输出电能，影响系统稳定性。因此在系统中配置一定容量的储能装置，对光伏并网发电系统具有非常重要的作用[6]。

本文在综合考量了蓄电池梯次利用和光伏发电成本问题的基础上，提出了一种基于无均衡管理的车用蓄电池-光伏单体发电系统。该技术采用一种新型的光伏电池储能发电系统模组拓扑结构，将容量、电压匹配的锂离子电池-光伏电池单体并联，不需要锂电池均衡管理，实现了模组控制单元的简化，单体锂电池之间的容量差异不会对系统产生显著影响[7]。

2拓扑结构

由图可知，系统主要包括以下几部分：

1）光伏发电系统：本部分由一块蓄电池单体、与蓄电池容量、电压匹配的光伏电池、一个DC/DC直流功率变换器构成。直流功率变换器完成对蓄电池智能充电以及光伏电池组最大功率输出控制功能等功能。

2）数据采集系统：用于检测采集光伏电池输出电压电流、蓄电池输出电压电流、直流节点电压、系统输出功率等信号，为控制系统的实时分析处理提供数据来源。

3）控制系统：根据数据采集系统提供的各项运行参数，以及相关控制要求和调度要求，来实现对系统的能量管理与控制。可以实现对每个单体内光伏电池和蓄电池的独立投切。

对于传统光伏系统——光伏电池通过串并联构成光伏阵列，储能电池单体通过串并联构成储能电池组，光伏阵列与储能电池组并联，后经功率变换后向负载供电。储能电池组需要充放电和均衡管理控制器。传统光伏阵列和储能电池组易受不均衡性的影响[8]。

本文中的单体光伏储能发电系统，光伏储能模组为其基本单元，是由单个光伏电池和单个储能电池连接而成，每个模组内光伏电池和蓄电池可由一个独立的控制器对控制通断，实现光伏电池和储能电池的独立投切。将一定数量的模组并联接入直流母线；直流母线可直接向直流负载供电，或经DC/AC电路向交流负载供电。实现了光伏电池和储能电池单体的独立控制，从而解决了传统光伏阵列的阴影效应和储能电池组的均衡性问题。

3控制模式

在每个模组中可以实现以下模式工作：

模式1：储能电池退出运行，太阳能电池单独向负载供电

模式2：储能电池和太阳能电池共同向负载供电

模式3：太阳能电池同时向储能电池和负载供电

模式4：太阳能电池退出运行，储能电池单独向负载供电

信息采集系统检测采集光伏电池输出电压电流、蓄电池输出电压电流、直流节点电压、系统输出功率等信号，与设定值进行比较从而进行模式切换。

工作模式切换简单表示如下：

其中，Ubat蓄电池输出电压，Usol光伏电池输出电压，Ubat.set蓄电池放电起始电压，

Usol.sta光伏电池起始放电电压，Usol.end 光伏电池对外充电起始电压

4结论

针对电动汽车退役电池的梯次利用问题，提出了一种基于单体光伏/单体储能电池模组的无均衡光伏储能发电系统，解决实际应用中电动汽车退役电池电芯容量内阻离散型问题和光伏发电的成本降低问题。通过模组内单体光伏电池和单体储能电池的独立投切和串联支路内模组的投切控制，解决了传统光伏储能发电系统遇到的问题，通过无均衡管理避开蓄电池串并联的均衡模式问题，提高了蓄电池的使用效率，对电动汽车退役电池进行了有效利用，并在一定程度上降低了储能型光伏发电中蓄电池带来的成本增加。

参考文献：

[1]王丰伟.退役动力电池剩余容量梯次利用的关键技术研究[D].沈阳工程学院，2017.

[2]郑郧，章恒，薛韶军，殷劲松，朱南京，戴立刚.基于储能的退役动力电池梯次利用成组连接技术[J].电子质量，2016（12）：69-74+83.

[3]孙冬.锂离子电池梯次利用关键技术研究[D].上海大学，2016.

[4]李建林，修晓青，刘道坦，惠东.计及政策激励的退役动力电池储能系统梯次应用研究[J].高电压技术，2015，41（08）：2562-2568.

[5]马泽宇，姜久春，文锋，郑林锋，郭宏榆，时玮.用于储能系统的梯次利用锂电池组均衡策略设计[J].电力系统自动化，2014，38（03）：106-111+117.

[6]黎涛.储能型光伏发电系统能量控制策略研究[D].湖南大学， 2011.

[7]彭飞，刘志祥，陈维荣.新型光伏锂电无均衡管理储能发电系统[J].西南交通大学学报，2014，49（5）：920-927.

[8]邬明亮，戴朝华，邓惠文，等.基于单体光伏/单体储能电池模组的新型光伏储能发电系统[J].电力系统保护与控制，2017，45（3）：56-61.

[9]徐順刚.分布式供电系统中储能电池均衡管理及逆变控制技术研究[D].西南交通大学，2011.