基于無均衡管理的車用蓄電池—光伏單體發(fā)電系統(tǒng)

康靜雅

摘要：隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，其電池的處理成為越來越炙手可熱的問題。其中一種是通過光伏儲能進(jìn)行梯次利用。傳統(tǒng)光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)都是由光伏陣列和儲能電池組經(jīng)串并聯(lián)構(gòu)成的，易受光伏電池陰影效應(yīng)及儲能電池均衡性問題的影響，不適合具有很強(qiáng)參數(shù)不一致的退役電池。基于此，提出一種由單體光伏電池和單體儲能電池構(gòu)成的無均衡管理光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，單體光伏電池和與之電壓、容量匹配的單體儲能電池構(gòu)成光伏儲能模組，并聯(lián)匯流至直流母線，向直流負(fù)載或經(jīng)逆變器向交流負(fù)載供電。通過監(jiān)測各部分的電壓電流，對光伏儲能模組進(jìn)行工作模式間切換以實現(xiàn)模組內(nèi)部獨立控制。相比于單純的將不同性能的廢棄電池串并聯(lián)作為蓄電池模組接上去，本單體通過無均衡管理避開蓄電池串并聯(lián)的均衡模式問題，提高了蓄電池的使用效率，對電動汽車退役電池進(jìn)行了有效利用。

關(guān)鍵詞：電動汽車蓄電池；梯次利用；光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)；單體模組；均衡性

1背景

汽車蓄電池回收與利用：近年來電動汽車快速發(fā)展，與此同時帶來了退役電動汽車蓄電池的回收問題。而電動汽車退役的蓄電池容量還能達(dá)到出廠容量的80%，尚且可以進(jìn)行一系列儲能應(yīng)用。

然而，即使經(jīng)過嚴(yán)格篩選的退役電池模組，在重新配對成組為系統(tǒng)之后，由于大多數(shù)電芯都已進(jìn)入生命周期的中后期，其老化（劣化）速度不一，并且情況較剛出廠的電池要惡劣的多，突出表現(xiàn)為容量和內(nèi)阻的差異越來越大，導(dǎo)致系統(tǒng)在可用容量和充放電功率方面越來越弱，可靠性問題嚴(yán)重。若作為傳統(tǒng)太陽能發(fā)電儲能電池，即將不同電池串并聯(lián)成組供電，則可能由于電池特性不同影響發(fā)電效率，甚至造成電池?fù)p壞[1-5]。

光伏價格：作為一種取之不盡用之不竭的能源，太陽能有著無可比擬的優(yōu)點：儲量豐富、分布廣泛、綠色環(huán)保等。但其在實際發(fā)電應(yīng)用中也存在能量密度低、發(fā)電不穩(wěn)定、系統(tǒng)可靠性低等問題。為了解決這些問題，又需要增加很多設(shè)備與投資：想要捕捉到盡可能大的功率，往往需要大面積的收集裝置和高效率的轉(zhuǎn)換設(shè)備，而目前的太陽能利用裝置普遍效率低、成本高；為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)必須加入儲能環(huán)節(jié)，

但目前蓄能仍是太陽能利用中較為薄弱的一個環(huán)節(jié)，同時也提高了太陽能發(fā)電的利用成本。由于日照強(qiáng)度，環(huán)境溫度等自然條件的變化導(dǎo)致光伏發(fā)電不能持續(xù)穩(wěn)定的輸出電能，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此在系統(tǒng)中配置一定容量的儲能裝置，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有非常重要的作用[6]。

本文在綜合考量了蓄電池梯次利用和光伏發(fā)電成本問題的基礎(chǔ)上，提出了一種基于無均衡管理的車用蓄電池-光伏單體發(fā)電系統(tǒng)。該技術(shù)采用一種新型的光伏電池儲能發(fā)電系統(tǒng)模組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將容量、電壓匹配的鋰離子電池-光伏電池單體并聯(lián)，不需要鋰電池均衡管理，實現(xiàn)了模組控制單元的簡化，單體鋰電池之間的容量差異不會對系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響[7]。

2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖可知，系統(tǒng)主要包括以下幾部分：

1）光伏發(fā)電系統(tǒng)：本部分由一塊蓄電池單體、與蓄電池容量、電壓匹配的光伏電池、一個DC/DC直流功率變換器構(gòu)成。直流功率變換器完成對蓄電池智能充電以及光伏電池組最大功率輸出控制功能等功能。

2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：用于檢測采集光伏電池輸出電壓電流、蓄電池輸出電壓電流、直流節(jié)點電壓、系統(tǒng)輸出功率等信號，為控制系統(tǒng)的實時分析處理提供數(shù)據(jù)來源。

3）控制系統(tǒng)：根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供的各項運行參數(shù)，以及相關(guān)控制要求和調(diào)度要求，來實現(xiàn)對系統(tǒng)的能量管理與控制?？梢詫崿F(xiàn)對每個單體內(nèi)光伏電池和蓄電池的獨立投切。

對于傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)——光伏電池通過串并聯(lián)構(gòu)成光伏陣列，儲能電池單體通過串并聯(lián)構(gòu)成儲能電池組，光伏陣列與儲能電池組并聯(lián)，后經(jīng)功率變換后向負(fù)載供電。儲能電池組需要充放電和均衡管理控制器。傳統(tǒng)光伏陣列和儲能電池組易受不均衡性的影響[8]。

本文中的單體光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)，光伏儲能模組為其基本單元，是由單個光伏電池和單個儲能電池連接而成，每個模組內(nèi)光伏電池和蓄電池可由一個獨立的控制器對控制通斷，實現(xiàn)光伏電池和儲能電池的獨立投切。將一定數(shù)量的模組并聯(lián)接入直流母線；直流母線可直接向直流負(fù)載供電，或經(jīng)DC/AC電路向交流負(fù)載供電。實現(xiàn)了光伏電池和儲能電池單體的獨立控制，從而解決了傳統(tǒng)光伏陣列的陰影效應(yīng)和儲能電池組的均衡性問題。

3控制模式

在每個模組中可以實現(xiàn)以下模式工作：

模式1：儲能電池退出運行，太陽能電池單獨向負(fù)載供電

模式2：儲能電池和太陽能電池共同向負(fù)載供電

模式3：太陽能電池同時向儲能電池和負(fù)載供電

模式4：太陽能電池退出運行，儲能電池單獨向負(fù)載供電

信息采集系統(tǒng)檢測采集光伏電池輸出電壓電流、蓄電池輸出電壓電流、直流節(jié)點電壓、系統(tǒng)輸出功率等信號，與設(shè)定值進(jìn)行比較從而進(jìn)行模式切換。

工作模式切換簡單表示如下：

其中，Ubat蓄電池輸出電壓，Usol光伏電池輸出電壓，Ubat.set蓄電池放電起始電壓，

Usol.sta光伏電池起始放電電壓，Usol.end 光伏電池對外充電起始電壓

4結(jié)論

針對電動汽車退役電池的梯次利用問題，提出了一種基于單體光伏/單體儲能電池模組的無均衡光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)，解決實際應(yīng)用中電動汽車退役電池電芯容量內(nèi)阻離散型問題和光伏發(fā)電的成本降低問題。通過模組內(nèi)單體光伏電池和單體儲能電池的獨立投切和串聯(lián)支路內(nèi)模組的投切控制，解決了傳統(tǒng)光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)遇到的問題，通過無均衡管理避開蓄電池串并聯(lián)的均衡模式問題，提高了蓄電池的使用效率，對電動汽車退役電池進(jìn)行了有效利用，并在一定程度上降低了儲能型光伏發(fā)電中蓄電池帶來的成本增加。

參考文獻(xiàn)：

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