磷酸铁锂电池储能系统的设计和探讨

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论文字数:39666 论文编号:sb2022053011222247999 日期:2022-06-09 来源:硕博论文网

本文是一篇电气自动化论文,本文选取了 6000mAh 的磷酸铁锂电池作为储能电池,在不同环境和不同工作状态下对该型号电池做了一系列循环实验。实验表明电池温度过高或者过低时都会影响电池的性能,另外大电流充放电也会对电池造成损坏,缩短电池寿命。基于实验数据,完成了电池的二阶等效模型的建立。
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
随着生活水平的提高,人们有更多的时间可以进行户外自驾、户外旅行等活动,普通的移动电源已经不能满足人们的需求,因此多功能户外储能电源箱的使用逐渐普遍。户外储能电源箱在国外使用较普遍,在国内使用较少,因此在国内还有很大的应用前景。本文设计的储能系统采用的电池为磷酸铁锂电池,其优点是比容量大、安全性好、支持多倍率电流放电,满足储能系统对充放电性能和安全性的要求[1-2]。
磷酸铁锂电池容量有限且电压较低,因此本文设计的储能系统将多节电池串并连接进行输出。当多节电池串联使用时,每节电池电压可能并不相同,如果电压偏差较大会造成储能系统充放电不正常,影响使用,甚至损坏电池。系统最高输出功率为 400W,最高输出电压为 AC220V,使用不当不仅会损坏设备,也可能引发安全事故,因此需要对系统的电压、电流和温度实时监测,确保系统的安全性和稳定性[3]。
本文选取的的均衡方法为耗散型均衡法,锂电池在工作过程中,由于每个单体电池的内阻不同、老化程度不同和温度不同等原因,可能导致电池电压不同,不均衡会影响系统使用的稳定性和使用寿命[4]。因此电路设计时加入了均衡电路,充电过程中,如果某一节电压比其他电池电压高一定值,这时打开均衡电路,使每节电池间的压差接近为零,本文采用硬件芯片作为均衡电路控制器,为了提高均衡效率,并且设计了外围均衡电路,从而改善系统性能[5]。
锂电池 SOC(电池荷电状态)估算是电池管理单元研究的重点[6],本文设计的储能系统放电电流较大,且当逆变器工作时,电流波动加大,加大了 SOC估算的难度。本文将开路电压法和安时积分法结合使用预测电池 SOC,且硬件电路需要将交流输出和直流输出分开检测,加滤波电路,减小电流值的波动,通过开路电压法估算电池在非工作状态下的初始 SOC,安时积分法实时计算SOC 的变化量。
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1.2 电池管理系统国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外科研单位和高校在电池 SOC(电池荷电状态)和 SOH(电池健康状态)方面进行了大量研究,但是对于整体电池管理系统的研究较少。而国外的汽车企业单位对电池管理系统研究较多,电池管理系统是电动汽车的核心系统,电动汽车快速发展的同时,推动电池管理系统的发展。其中一些科研单位和企业提出的电池模型得到了广泛应用,并且进一步推动了电池及相关材料的发展。一些成熟的电池管理系统被研发出来,主要有:
德国的 BADICHEQ 系统[8],由 Mentzer Electronic GmbH 和 Werner Retzlaff领导的团队开发。系统带有 RS232 通讯协议,通过此协议将采集的数据上传到控制系统,当电池出现故障时,控制系统可以快速定位故障并反馈信息。德国的 B.Hauck 设计的 BATTMAN 系统。通过软件修正参数和硬件跳线,可以管理不同型号的电池,充分发挥不同型号电池的特性。
针对电池的可靠性和安全性,美国通用汽车公司研发了 EV1 电池管理系统。在电芯设计,电极设计,电池材料选定和电池模组设计等方面,通用汽车公司都有自己的优势。将电池管理系统应用最成功的车企是美国的特斯拉公司,旗下两款电动汽车产品 Tesla Roadster 和 Tesla Model S 受到普遍欢迎。其采用三级电池管理系统对电池组工作参数实时采集,并对电池的工作状态实时监控,有效保护电池组[9]。
日本丰田公司针对电动汽车开发了一套电池管理系统,并将其搭载在旗下发布的第一款电动汽车上。该电池管理系统,不仅可以对电池的工作状态进行实时监控,保证电池安全可靠的运行[10],还加入了对驾驶者和电动车的保护功能[11]。
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2 锂电池 SOC 估算和均衡设计
2.2 锂电池充放电特性研究与实验
因为优越的性能,锂电池被广泛应用于储能系统中。锂电池的性能和正极材料有直接关系,常见的电池正极材料有 LiNiO2, LiMn2O4, LiCoO2 及 LiFePO4等,以上四种锂离子电池性能对比如表 2-1。

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从表中可知,磷酸铁锂电池子循环能力、温度性能以及安全方面都具有优势,且铁离子很普遍,磷酸铁锂电池价格较低。结合本文设计的储能系统,要求循环次数在 2000 次以上,工作温度范围 50°C 以上,并具有很好的安全性能,因此选择磷酸铁锂电池作为本文储能系统的应用电池。
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2.3 锂电池建模分析与参数辨识
2.3.1 锂电池建模分析
通过对锂电池的充放电测试可知,电池在充放电瞬间会出现极化现象,电池电压瞬间升高或者降低。本文之前已经分析过,戴维宁等效电路不能很好的处理电池内部的极化问题,因此本文在戴维宁等效电路的基础上,串联一级阻容并联环节,发展出二阶参数模型,该模型可以很好的弥补戴维宁等效电路的缺点,更好的处理电池内部的极化问题,减小估算误差。
2.3.2 锂电池模型参数的辨识
通过辨识锂电池二阶模型的参数,可以确定二阶模型的方程,为准确预测电池的工作状态和 SOC 的估算提供支持。在温度不变情况下,主要对锂电池开路电压OCU ,极化电阻paR 和pcR , 极化电容paC 和pcC ,欧姆内阻0R 进行辨识。
(1)开路电压OCU
开路电压的测试需要在恒温的条件下进行,避免环境温度影响电池的状态,因此将电池放置在 25°C 的恒温环境中。为了使初始电容极化电压为 0V,将电池静置 30 分钟后,进行放电测试。放电测试过程分为 10 个阶段,每个阶段使用小电流放出 0.1 电池额定容量的电量,并且每个阶段之间都要静置 30 分钟,待电池电压稳定后,记录开路电压OCU 。
同开路电压辨识的方法,将锂电池放置于 25°C 的恒温环境中。为了使初始电容极化电压为 0V,将电池静置 30 分钟后,进行放电测试。放电测试过程分为 10 个阶段,每个阶段使用恒定电流放出 0.1 电池额定容量的电量,并且每个阶段之间都要静置 30 分钟。每次放电时,记录放电前后的电压,计算出电压跌落值和欧姆电阻值。
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3 储能系统总体硬件设计...........................................26
3.1 电池管理单元硬件设计.........................................26
3.2 逆变器单元硬件设计.................................................33
4 储能系统软件设计............................................41
4.1 BMS 单元软件设计...............................41
4.2 逆变器软件设计............................................. 45
5 实验结果分析.....................................48
5.1 主控单元 PCB 以及硬件布局设计.........................................48
5.2 实验平台.......................................49
5 实验结果分析
5.1 主控单元 PCB 以及硬件布局设计
结合第三章介绍的主控单元硬件电路原理图,在 Altium Designer 软件环境下对电池管理单元的硬件电路进行 PCB 搭建,如图 5.1 所示。

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为验证均衡电路的可靠性,本节对储能进行充电均衡实验。首先,将电池组中单体电池 B3,通过负载单独进行小电流放电,当电压下降 0.1V 时结束放电。静置一段时间,然后对电池组进行充电,充电电流为恒定的 1000mA。通过监测设备,实时监测 B1,B2,B3 的电压。充电均衡实验数据图如图 5-7 所示。
根据测试结果可知,当 B1,B2 电压大于 3.65V 时,开始对 B1,B2 充电均衡,使其电压缓慢上升,同时 B3 电压快速上升,逐渐趋近与 B1 和 B2 的电压。当充电结束时,B1,B2,B3 的电压接近,它们之间的压差在合理范围内,因此实验表明,本文设计的均衡电路满足设计要求。
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6 结论与展望
本文研究了一种基于磷酸铁锂电池的储能系统。主要包括电池管理单元和逆变器单元。其中电池管理单元是储能系统的核心部分,功能包括参数采集、充放电保护、均衡控制、数据通讯等,保证储能系统安全稳定的运行。另外,通过逆变器输出交流电,增加了储能的使用范围。具体工作如下:
本文选取了 6000mAh 的磷酸铁锂电池作为储能电池,在不同环境和不同工作状态下对该型号电池做了一系列循环实验。实验表明电池温度过高或者过低时都会影响电池的性能,另外大电流充放电也会对电池造成损坏,缩短电池寿命。基于实验数据,完成了电池的二阶等效模型的建立。通过模型分析,提出了开路电压法和安时积分法结合的方式估算 SOC,并根据电池温度、老化程度修正了 SOC 计算系数。
完成储能系统总体硬件设计,包括电池管理单元硬件设计和逆变器硬件设计。BMS 单元主要实现对整个系统实时监控,采集系统电压温度数据,逆变器状态参数,并将采集数据进行处理。并采取双重保护模式,提升了硬件系统的稳定性和安全性。均衡方式采用相对简单、安全可靠的耗散型均衡方式,并在设计时注意通风散热。逆变器采用二级结构,前级将交流电转换成需要的母线直流电压。后级控制器输出调制波形,控制 MOSFET 的开关,得到需要的交流电压波形。
参考文献(略)


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