電磁發(fā)射用多級混合儲能充電策略優(yōu)化

李 超 魯軍勇 馬偉明 江漢紅 龍鑫林

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室 武漢 430033）

電磁發(fā)射用多級混合儲能充電策略優(yōu)化

李 超 魯軍勇 馬偉明 江漢紅 龍鑫林

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室 武漢 430033）

時序串聯(lián)充電策略用多組蓄電池并聯(lián)來滿足功率需求，過高的并聯(lián)數(shù)使系統(tǒng)體積、重量過于龐大不利于工程化。本文在普通時序串聯(lián)電容充電方法基礎上，提出一種快速充電優(yōu)化方案，能夠在保證充電速度的前提下降低并聯(lián)數(shù)。首先并聯(lián)電池組對電容充電，之后通過切換電路結構，將電池系統(tǒng)轉化為串聯(lián)繼續(xù)充電，同時改變電路限流電感值保證電池處于極限工況。仿真結果表明，普通時序串聯(lián)法與優(yōu)化方法都可在3s內將600mF電容器充滿，但優(yōu)化方案將蓄電池并聯(lián)數(shù)減少1/3，極大降低了系統(tǒng)成本、體積與重量。搭建充電策略優(yōu)化的實驗平臺進行實驗，實驗波形與仿真波形基本一致。驗證了優(yōu)化方案的正確性，為混合儲能更好地應用于大功率電磁發(fā)射奠定了基礎。

混合儲能 電磁發(fā)射 充電電源 充電策略 脈沖功率技術

0 引言

新型混合儲能技術能夠實現(xiàn)脈沖電容器的快速、可靠、安全充電，是軍用電磁發(fā)射中的關鍵技術[1-4]。與國內普遍采用的、運用于可再生能源的混合儲能不同[5-12]，海軍工程大學提出的新型混合儲能技術將蓄電池作為脈沖電容器的充電電源[13]。蓄電池在電網(wǎng)與脈沖電容之間起到功率、能量緩沖作用，可有效降低大功率連續(xù)電磁發(fā)射[14]對電網(wǎng)的瞬時功率需求。在不使用時，以較低功率、較長時間通過電網(wǎng)存儲能量；需要時，向電容器放電，實現(xiàn)高功率、可重復能量輸出。蓄電池-電容器混合儲能結構的特殊性[15]使其同時具備了高功率密度、高能量密度的優(yōu)勢。

針對這種新型儲能結構，必須具備其特有的電容充電方式。由海軍工程大學提出并通過實驗得到驗證的蓄電池時序[16]串聯(lián)入網(wǎng)充電方式[17,18]，具有充電電流恒定、電容電壓線性升高、控制簡單、效率高等優(yōu)勢，目前最適于混合儲能的能量流傳遞?；旌蟽δ苤须姵剌敵龉β适芷浞烹姳堵氏拗?，國內鋰電池以10C～20C為極限，國際上已有放電能力是國內數(shù)倍的鋰電池報道。受國內電池性能影響，只能采用多組電池并聯(lián)同時輸出電流的方式來滿足與國外電池相同的輸出能力，但會使系統(tǒng)過于龐大。以上不足可通過兩種方式進行改進：①研發(fā)性能更好的電池；②對系統(tǒng)進行充電策略與結構優(yōu)化。本文采用第二種方式，對時序串聯(lián)策略進行改進。通過電路結構的變化，實現(xiàn)蓄電池先并聯(lián)后串聯(lián)對電容充電，在相同時間與能級要求下，降低了蓄電池并聯(lián)數(shù)量，有效減少了混合儲能系統(tǒng)的體積、重量與系統(tǒng)資金投入，為混合儲能更好地應用于大功率連續(xù)電磁發(fā)射奠定了基礎。

1 時序串聯(lián)充電策略原理

1.1 原理分析

混合儲能系統(tǒng)結構如圖1所示。首先由電網(wǎng)以較低功率緩慢對蓄電池充電，在需要時由電池以數(shù)十MW級功率對脈沖電容充電，脈沖電容最后通過脈沖成型網(wǎng)絡以GW功率輸出到負載。因蓄電池的蓄能作用，系統(tǒng)可短時間內連續(xù)實現(xiàn)多次大功率電磁發(fā)射。

圖1 混合儲能系統(tǒng)結構Fig.1 Hybrid energy storage system structure

時序串聯(lián)能量流傳遞原理如圖2所示。圖2中，蓄電池系統(tǒng)為En=nE0，n表示由n組電池串聯(lián)入網(wǎng)，E0為單組電池電壓。電力電子開關SC1～SC4用于控制電路導通與關斷，導通開關SF1～SFn-1用于開通某一組電池放電。L為限流電感器，C為脈沖電容器，二極管VD用于續(xù)流，Rn為蓄電池系統(tǒng)內阻，Rn=nRe，R0為電路等效內阻。

圖2 時序串聯(lián)能量流傳遞原理Fig.2 Principle of series energy flow

時序串聯(lián)充電的具體過程：首先閉合SC1、SC3、SF1，1號蓄電池組串入回路對脈沖電容器C充電，此時為第1階段。t1時斷開SF1，閉合SF2，電路進入第2階段，蓄電池組2號與1號串聯(lián)，一起對脈沖電容C充電。依次類推，直到時間tn-1，電路進入第n階段，斷開SFn-1、SC3，閉合SC4，使n號電池組串聯(lián)入網(wǎng)，至此所有電池全部串聯(lián)對電容器充電。待電容器達到所需電壓時斷開所有開關，充電過程結束。若將各開關動作順序由上至下顛倒，圖2電路還可實現(xiàn)電池觸發(fā)順序變換，從而實現(xiàn)各電池組均衡放電。

圖3是采用圖2結構實現(xiàn)的蓄電池對脈沖電容器時序串聯(lián)充電電流波形。在tn時刻將第n組電池串聯(lián)入網(wǎng)，使電流在一定范圍內實現(xiàn)近似恒定，若觸發(fā)時刻過早或過晚都將使電流I(t)超出此范圍。只要電流接近于恒定，電容器電壓就可實現(xiàn)近似直線上升。

圖3 時序串聯(lián)充電方式電流曲線Fig.3 Current curve of orderly-serial charging mode

目前有C=600mF脈沖電容器需要在3s內充至3 200V，以現(xiàn)有的30A·h/3.2V（10C）鋰電池進行混合儲能實驗，單體電池內阻為1mΩ。初步方案為兩只電池并聯(lián)作為最小單元，100個單元串聯(lián)形成單個電池組（單組電壓E0=320V），共10組對電容器充電。蓄電池系統(tǒng)輸出最高電壓為E10=3 200V，最高電流為Imax=600A。若以峰值600A對電容器充電，電容計算式為

式中，u(t)為電容電壓；I(t)為充電電流；t為時間。仿真結果可知將電容器充至3 200V需要3.57s，采用兩組電池并聯(lián)的方式不能滿足時間要求?，F(xiàn)采用三只電池并聯(lián)作為最小單元，100個單元串聯(lián)形成單個電池組，仍然為10組。蓄電池系統(tǒng)輸出最高電壓仍為3 200V，輸出最大電流為Imax=900A，仿真計算結果可知電池能在2.87s內將電容器充滿。仿真分析蓄電池時序入網(wǎng)時間計算方法如下。

對照圖2建立電路方程為

式中，Rn=n×33.3mΩ；R0=50mΩ；限流電感L=50mH。由各已知參數(shù)可知，滿足電路為欠阻尼，求解式（2）可得

其中

式中，I(0)、u(0)為當前階段電路初始狀態(tài)。任一新階段的初始條件為上一階段（每串聯(lián)一組電池入網(wǎng)為一個新階段）最后時刻電流、電壓。第一組蓄電池串聯(lián)入網(wǎng)時，初始值已知為I1(0)=0、u1(0)=0。對式（4）求導得

只需通過式（10）求解電流峰值所對應的時間值tmax，從而求解電流峰值Imax，并使蓄電池在串聯(lián)入網(wǎng)時電流峰值等于900A，即可計算出各電池組的入網(wǎng)時間節(jié)點。

1.2 仿真分析

以式（4）、式（5）和式（10）為基礎，利用Matlab仿真計算采用3只電池并聯(lián)為最小單元時，10個電池組的入網(wǎng)時間見表1。

表1 時序串聯(lián)入網(wǎng)時間Tab.1 Connect joint time of orderly-serial

將表1時序代入Simplorer仿真得到波形如圖4所示。由圖4可知，采用3只并聯(lián)電池作為最小單元，串聯(lián)后對電容器充電，當限流電感值為50mH時蓄電池系統(tǒng)輸出電流峰值為870A，各單體電池輸出電流為290A，接近輸出極限。10組電池時序串聯(lián)入網(wǎng)，使得電流近似恒定，電容電壓呈線性升高。在2.55s時電容電壓達到3 203V，符合3s內指標要求。系統(tǒng)共使用電池數(shù)量N=3 000只。采用同樣方法仿真2只電池并聯(lián)的情況，得到充電時間為3.57s。

圖4 時序串聯(lián)充電仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of orderly-serial charging

2 時序串聯(lián)充電策略優(yōu)化方案

2.1 原理分析

原方案與優(yōu)化方案對比如圖5所示。

圖5 原方案與優(yōu)化方案對比Fig.5 Comparison of the original and the optimization scheme

由圖5可知，原方案采用3只電池并聯(lián)為最小單元，100個單元串聯(lián)后為一組，共10組時序串聯(lián)入網(wǎng)對電容器充電，電池使用數(shù)量為3 000只。優(yōu)化方案采用2只電池并聯(lián)為最小單元，100個單元串聯(lián)后為一組，也采用10組電池。但充電時分為兩個階段：①首先以兩組并聯(lián)的形式同時入網(wǎng)，每兩組為一個大組，則10組電池分為5個大組，以大組為單位時序串聯(lián)入網(wǎng)對電容器充電；②當5個大組全部入網(wǎng)后，電路電流降為0時通過電路結構變換將右側6～10號電池組從電路中切除，將6號電池組串聯(lián)到5號后端，重新采用單組串聯(lián)的方式時序入網(wǎng)對電容器充電。優(yōu)化方案階段①相當于4只電池并聯(lián)，電池系統(tǒng)輸出最大電流可達到1 200A，從而彌補了在階段②只能輸出600A的不足。為使電路能夠達到電池系統(tǒng)輸出極限，原理由圖2變換為圖6。

由圖6a可知，在階段①蓄電池兩組并聯(lián)向電容器充電，兩條支路電壓為E1n=E2n=nE0（n=1～5），支路電阻R1n=R2n=50n(mΩ)。限流電感L3=100mH，支路限流電感L1=50mH、L2=50mH。開關SF閉合，將限流電感L3從電路中移除。由于此電路為時不變線性電路，可通過等效原理建立電路方程，即

圖6 改進方案原理示意圖Fig.6 Principle of amelioration scheme

此階段電路參數(shù)同樣滿足

采用與前述相同方法求解電路，得到此情況下電容器充電電流I(t)、電壓u(t)與電流峰值Imax，并通過Matlab仿真計算階段①各電池入網(wǎng)時序，見表2。

表2 優(yōu)化方案入網(wǎng)時間Tab.2 Connect joint time of amelioration scheme

觀察圖6b，進入階段②后，將兩條支路電池轉換為串聯(lián)，斷開開關SF使電感器L3重新接入電路。因此時1～5號電池已經(jīng)入網(wǎng)，將6～10號電池按時序接入，電源電壓E15+E2n=320V×5+E2n。電源等效電阻為R15+R2n=50mΩ×5+R2n。階段切換時，對電感器作如上調整的目的在于保證無論電路結構如何切換，蓄電池輸出電流始終處于極限。同樣，進行電路求解與Matlab仿真得到階段②后5組電池入網(wǎng)時間，見表2。

圖6為改進方案原理示意圖，主要為描述方便，若要完成圖6中所示的結構切換，需采用圖7所示優(yōu)化策略電路結構。

圖7 優(yōu)化策略電路結構Fig.7 The circuit configuration of amelioration scheme

圖7中只需閉合SC10、SC12，斷開SC11、SC9即為圖6a，斷開SC10、SC12，閉合SC11、SC9即為圖6b。

2.2 仿真分析

按照表2時序用Simplorer進行仿真得到波形如圖8所示。表2中6、7號電池組觸發(fā)時序相同即同時觸發(fā)，其主要原因在于觸發(fā)單組電池時電流峰值遠小于600A，電池并未處于極限輸出工況，這將延長充電時間，降低系統(tǒng)輸出功率。所以，此時選擇兩組電池同時觸發(fā)來增加電池系統(tǒng)輸出電流。圖8a中，充電電流進入階段②時，后5組電池充電，但電流只存在4個波峰。

圖8 優(yōu)化方案仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of amelioration scheme

觀察圖8，在階段①蓄電池系統(tǒng)輸出電流峰值為1 187A，各單體電池輸出峰值為296A。階段②電池系統(tǒng)輸出電流峰值為596A，各單體電池輸出電流峰值為298A。電池都處于極限放電狀態(tài)。電容器電壓在2.87s時達到3 201V，滿足3s內指標?？梢姡谙嗤臅r間內要求將電容器充滿，優(yōu)化方案使用電池數(shù)量N=2 000只，比原方案蓄電池數(shù)量減少了1/3。綜上分析，通過對電路結構切換與控制策略的優(yōu)化，可彌補電池放電能力的不足。

2.3 一般性分析

本節(jié)將在以上具體實例描述基礎上進行一般性描述，進一步說明此優(yōu)化策略的優(yōu)勢。設電池組并聯(lián)數(shù)為m，單體電池的最大輸出電流為I0。因串聯(lián)時序充電方法實現(xiàn)了電容器的近似恒流充電，由式（1）可知電容器的充電速率為

是夜，就在我多次痛快淋漓地排泄之后，依舊不能熟睡。不過，我的狀態(tài)好多了，雖說不能熟睡，畢竟是能睡了。盡管僅睡了一個多小時便被咳嗽震醒了。老婆嫌我吵，便睡眼朦朧地抱著枕頭跑去小屋了。也幸虧她去了小屋，不然，這一夜她又要失眠了。我咳罷又睡，睡罷再咳醒，一夜竟然如此折騰了四、五回。

此時，將電容器充到所需電壓的時間為

若采用優(yōu)化策略充電，則前0.5u(t)充電電流為2I0m，后0.5u(t)充電電流為I0m。此時電容器的充電時間為

可見，采用優(yōu)化策略后電容器充電效率提高了25%。在以上實例中，兩只電池并聯(lián)，達到所需電壓仿真時間為3.57s，而采用優(yōu)化策略后的時間為2.87s，系統(tǒng)效率提高20%，沒有達到25%的原因是電流在整個過程中并非真正恒流，只是近似。綜上所述，本優(yōu)化策略并不僅限于以上工程實例，其在任何工況下都可在不增加電池數(shù)量的情況下大大提高充電效率。

從另一角度出發(fā)，在相同時間要求下，優(yōu)化方案可降低電池并聯(lián)數(shù)。當并聯(lián)數(shù)為m的充電速度小于并聯(lián)數(shù)為m-x的速度的1.25倍時(Vm-x＜Vm＜1.25Vm-x)，采用優(yōu)化方案后并聯(lián)數(shù)可從m縮減到m-x且不影響充電效率。x取值不限于本文實例描述中的1，必須以實際工況決定。由于電磁發(fā)射混合儲能主要應用于短時脈沖工況，以目前國內的大倍率（10C～20C）功率型電池單體釋放幾百/上千安培而言，當m＞5時電流可以達到幾千安培，這已超出了很多的實際使用工況。所以蓄電池的并聯(lián)數(shù)不能太高，即使x取值為1時，帶來的效益也是相當可觀的。

3 實驗

搭建混合儲能優(yōu)化方案驗證平臺。實驗電路與圖7相同，各器件參數(shù)與仿真參數(shù)一致。實驗與仿真波形對比如圖9所示。

圖9 實驗與仿真波形對比Fig.9 Comparison of experiment and simulation waveforms

由圖9可知，仿真波形與實驗波形基本一致，細微差別是由電路等效參數(shù)選取誤差產(chǎn)生的。實驗電壓曲線在2.98s達到3 216V，滿足指標要求。圖10為實驗平臺電池組、電容實物。

圖10 實驗平臺Fig.10 Experiment platform

4 結論

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（編輯 張洪霞）

Charging Strategy Amelioration of Multilevel Hybrid Energy Storage for Electromagnetic Launch

Li Chao Lu Junyong Ma Weiming Jiang Hanhong Long Xinlin
（National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Navy University of Engineering Wuhan 430033 China）

Strategy of series-on-schedule uses parallel-connected batteries to meet high power requirement. It makes the system too big and heavy. This article constituted the improving scheme based on series-on-schedule strategy. Firstly, it paralleled the batteries to charge the capacitor. Secondly, it changed the configuration of batteries from parallel to series. At the same time, the inductance should be regulated to insure the batteries were in the utmost work status. The simulation results show both the series-on-schedule and the new scheme can charge the 600mF capacitor to requisite voltage in 3s, but the new scheme can cut down the number of batteries by 1/3. It reduces the spending, volume and the weight of the system largely. The experimental results show the simulation curves can match the real situation well. At last the conclusion can be drawn that the new scheme is validate and realizable.

Hybrid energy storage, electromagnetic launch, charging power supply, charging strategy, pulse power technology

TM832

李 超 男，1988年生，博士研究生，研究方向為電磁發(fā)射。

E-mail： lichao69@126.com（通信作者）

魯軍勇 男，1978年生，教授，博士生導師，研究方向為電磁發(fā)射。E-mail： jylu@xinhuanet.com

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.151727

國家自然科學基金（51522706、51407191、51307176），實驗室基金（9140C840409140C84026、9140C840409150C84358）和國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）（613262）資助。

2015-10-23 改稿日期 2016-03-25