高压大容量储能变流器电池组的平衡控制

于连勇

摘  要：电能是现代社会的主要能源之一，随着社会的快速发展对于电能的需求也在不断的增强。电池是移动储能的重要载体，在现代社会有着诸多的应用。手机、笔记本电脑等都需要大量的优质电池。现代新能源汽车产业对于高性能电池的需求也在逐年增加，现今的大容量储能电池多采用的是电池组串联的方式构成，但是由于各电池性能的差异致使其在充放电的过程中容易出现过充、欠充等问题。文章在分析电池组充放电过程中所存在问题的基础上提出了一种级联H桥储能变流器平衡策略。

关键词：高压大容量电池;H桥储能变流器;电池组;充放电

中图分类号：TM910 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）18-0143-02

Abstract： Electric energy is one of the main energy sources in modern society， and the demand for electric energy is increasing with the rapid development of society. Battery is an important carrier of mobile energy storage， which has many applications in modern society. Mobile phones， laptops and so on all need a lot of high-quality batteries. The demand for high-performance batteries in modern new energy vehicle industry is also increasing year by year. Today's large-capacity energy storage batteries are mostly composed of batteries in series. However， due to the differences in battery performance， it is easy to overcharge， undercharge and other problems in the process of charge and discharge. Based on the analysis of the problems existing in the charge and discharge process of the battery pack， a balance strategy of cascaded H bridge energy storage converter is proposed in this paper.

Keywords： high voltage large capacity battery; H bridge energy storage converter; battery pack; charge and discharge

前言

高壓大容量电池应用较多，出于成本考虑在高压大容量电池的制作上主要采用的是由大量的单体小容量电池并联形成电池组，而后再将电池组按照一定的顺序串联而成。通过这一方式所制成的高压大容量电池尽管成本大为降低但是存在着高压大容量电池内各电池组一致性较差的问题。这一问题在充放电的过程中表现的尤为明显。本文针对这一问题提出了一种新型的H桥储能变流器均衡控制法，并通过实验验证其良好的高压大容量电池均衡控制性能。

1 级联H桥储能变流器结构原理

高压大容量电池由众多的单体电池所组成，电池组在充放电过程中所出现的电池组参数、荷电状态不一致的问题将会对电池组的使用寿命造成极大的影响。为解决这一问题，研究并提出了级联H桥储能变流器均衡控制策略。由H桥子模块级联所构成的H桥储能变流器能够实现对于电池组充放电性能的优化。但是需要注意的是由于H桥储能变流器中含有较多的子模块，各子模块使用如不加以控制将无法发挥其应有的功用。为解决这一问题需要研究并应用H桥储能变流器子模块平衡控制策略，用以控制H桥储能变流器各子模块之间的平衡。本文基于H桥储能变流器提出了一种均衡控制策略，其主要采用的是增设虚拟子模块用以在满足网侧功率需求的基础上完成对于电池组SOC平衡的控制，此外，H桥储能变流器依靠排序算法与最近电平逼近法保障桥臂内各子模块的独立性，通过这一方式确保电池组的充放电下能够获得良好的特性曲线，在降低因一致性问题所导致的电池损耗的同时，提高电池组的使用效率。

级联H桥储能变流器结构如图1所示，其包含有N个H桥子模块，各子模块之间采用的是级联连接，并在级联的子模块首尾两端加装电感用以连接电网。从图1中可以看出H桥储能变流器中的各子模块采用的是电容与开关管串联的方式，通过这一连接方式可以通过直接改变开关管的开关用以对H桥储能变流器子模块的电容电压进行调整，电容电压的改变将连带电池组组感电流的改变并最终影响电池组输出功率的大小。开关管的断开将使得电池组处于冗余状态， H桥储能变流器中所采用的子模块为虚设子模块。在电池组充放电状态下，采用H桥储能变流器进均衡控制时， H桥储能变流器子模块的充放电状态将依据桥臂电流方向所转变，即开关管闭合时H桥储能变流器子模块的输出电压与桥臂电流方向并不同向，桥臂电流流向方向为H桥储能变流器子模块电容的正极，在这一状态下H桥储能变流器子模块电容将进行充电，而当开关管闭合时这一H桥储能变流器子模块的状态将与上述状态相反，桥臂电流流向将指向H桥储能变流器子模块电容的负极，在这一状态下H桥储能变流器子模块电容将放电。结合电路可以对H桥储能变流器子模块中的电流状态建立起函数模型，通过模型计算分析后可以看出H桥储能变流器子模块电容可以看作为网侧和电池组能量交换之间的中介，在网侧功率一定的情况下桥臂内各电池组的输出功率与网侧功率相等，此外，在H桥储能变流器子模块与网侧进行功率交换时，功率交换的部分主要集中在直流分量和二倍频分量上。在进行电流量计算时，假设电池组端的电压中仅仅含有直流分量，而根据计算公式由直流分量和二倍频分量的波动将引起H桥储能变流器子模块出现相应的波动变化，这些功率波动变化主要集中在H桥储能变流器子模块内部，不会传导至网侧，从而避免了网侧受到直接的影响。

电池组在充放电模式下的SOC均衡控制流程如下：控制方案中首先就电池组的SOC进行获取，在获取电池组中各单体电池端电压的同时绘制电池组SOC平均充放电曲线，在完成电池组充放电电压电流计算的基础上完成电池组充放电初始功率的计算。而后，依据计算结果对处于充电状态下电池组中单体电池的SOC进行从小到大的排序记录，根据桥臂上的电流方向完成SOC初始功率的逐次累加，通过对功率阶梯与输出功率指令进行对比用以对电池组的工作状态有一个清晰的认识，根据所计算对比后的结果求取非冗余状态下电池组的矫正功率。从上述计算结果可知，在采用H桥储能变流器子均衡控制策略时各电池组的输出功率的一致性要求并不高，在电池组SOC一致性的维持上可以采用叠加补偿的方式将电池组的输出功率维持在一个较为可控的区间范围内，通过与非冗余状态下电池组的SOC与平均值相比较求取两者之间的差值，将SOC的比较差值用于电池补偿功率的计算获取所需要的控制变量。一般来说，电池组的容量是一致的，由于SOC的比较差值为0，功率的补偿值为0，这意味着电池组输出功率在H桥储能变流器子均衡策略的补偿下将不改变对外输出功率。而当各电池功率差异较大时，则H桥储能变流器均衡策略将会根据SOC和Q的差异值计算所需要补偿的功率。

2 H桥储能变流器子模块电压平衡控制策略

当切除电池组时，H桥储能变流器子模块如若同样处于切除状态时将会导致H桥储能变流器的电平数相应的下降，进而导致变流器的并网波形质量下降，而当电池组工作状态转变回非冗余状态时H桥储能变流器子模块还需要再次进行充电，这一循环往复的方式将会对动力电池组充放电系统的稳定性产生极为不利的影响。总之， 当电池组输入子模块电容功率与子模块电容输出功率产生偏差值时，子模块电容电压将会随之产生直流分量的波动，这一波动与输出功率的偏差值成正比。因此，通过相应的算法可以控制开关管的投切次序，将电池组子模块电容电压控制在一个较为平稳的区间范围内，通过这一控制策略可以确保虚拟子模块在0输出功率的情况下与电池组和网侧之间完成相应的功率交换，确保网侧电压波形能够具有良好的波形质量。相较于一般的动力电池组控制算法，H桥储能变流器均衡控制策略在同样使用外电压环内电流双控控制器的同时仅仅采用了三角载波调制波的比较这一环节，减少了控制环节，提高了控制效率并降低了变流器在开关控制时的损耗。H桥储能变流器控制电压采用的是方波与PWM脉冲信号的叠加，则各子模块电容电压在存在偏差的同时也可以完成相应的控制输出，桥臂内子模块电容电压能够在较大工作范围内波动用以确保桥臂内的N个电池组能够工作在平均充放电曲线内。

3 高压大容量储能变流器电池组的平衡控制策略验证

为验证高压大容量储能变流器电池组的平衡控制策略的可行性，依据高压大容量储能变流器电池组的平衡控制策略搭建了仿真模型，仿真模型將对变流器的输出电压、电流、变流器内各子模块的电压、电流等参数进行仿真计算。通过仿真计算出的数据可以看出在高压大容量储能变流器电池组的平衡控制策略应用下当H桥储能变流器并未向网侧端发出功率指令时，桥臂中各电池组的工作状态均正常，而当电池组间SOC误差较大时，H桥储能变流器将参与控制矫正电池组间的SOC异常状态。此外，在 H桥储能变流器各子模块电容电压波动较大时，H桥储能变流器的输出波形仍能够保持良好的形态，从而提高了电池充放电状态下的电能质量。

4 结束语

为优化高压大容量电池组的充放电特性需要对高压大容量电池组充放电均衡控制方案进行改进。本文提出了一种高压大容量电池组H桥储能变流器平衡策略，这一策略通过增设虚拟子模块的方式完成了在确保网侧功率需求的前提下对各电池组能量进行平衡控制，并依靠排序算法对桥臂内各子模块进行了独立的控制，从而使得动力电池组能够在充放电时可按照平均充放电曲线进行工作，获得了较为良好的充放电特性。

参考文献：

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