首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 动力工程论文 > 新能源论文 > 动态电压恢复下的电池充放电电压自适应控制

动态电压恢复下的电池充放电电压自适应控制

2024-12-04 37 上传者：管理员

摘要：针对不合理的充放电行为导致的充电电压、放电电压不匹配问题，采用了动态电压恢复技术的电池充放自适应控制方法。利用动态电量指标定义标准电压值，从而完成对动态电压的恢复处理。在电池充放电控制结构中，设置内、外环控制器，并以动态电压的恢复处理条件为基础，确定自适应脉冲控制参数的取值范围，完成基于动态电压恢复技术的电池充放自适应控制。实验结果表明，在动态电压恢复技术作用下，电池元件的充电电压、放电电压完全匹配，不会造成不合理的充放电行为，能够维护电池元件的使用寿命。

关键词：
内环控制器
动态电压恢复
外环控制器
电池充放电
自适应控制
加入收藏

电池充电是指电量累积到额定容量的过程。电量由外部进入电池元件内部时，变压器元件快速运行，将交流电量转化为可以长期存储的直流电量，但出于安全性考虑，充电量不会超过电池元件的额定电量存储水平。电池放电是指电量的持续输出。作为稳压型供电装置，电池只能提供直流传输状态的电量，且电池元件的最大供电能力与其额定电量水平相等[1]。充电、放电是两个完全相反的行为过程，在电量信号转化的过程中，电池元件始终保持连续运行状态，且两类电量行为之间不会发生相互干扰的情况。

电池不合理的充放电行为会导致充电电压、放电电压不匹配，如果放电量大于充电量，将会影响电池元件的实际使用寿命。为避免充电电压、放电电压不匹配情况的出现，基于等电感能量变化率的电池充放电切换控制方法，利用PCS参数控制电池充放电电压[2]。考虑充放电不平衡的电池分组控制方法根据衰减指标取值，结合滤波常数，协调控制电量信号的传输行为[3]。然而上述两种方法并不能完全解决不合理的电池元件充放电问题。

动态电压恢复是以DVR元件运行特性为基础提出的电压调控技术手段，在保障电池元件电力供应能力稳定性的同时，解决电量滤波混乱传输的问题[4]。因此，文中利用动态电压恢复技术，设计一种新型的电池充放自适应控制方法，采用动态电压恢复技术来控制电池的充放电行为。通过考虑实时负荷情况，动态调整充放电电压，使其保持匹配，从而避免不合理的充放电行为。同时，通过内环和外环控制器的优化，确定自适应脉冲控制参数的取值范围，根据动态电压恢复处理条件实时调整充放电控制参数，使电池能够更好地响应负荷变化，实现更精确的充放电电压匹配。

1、电池动态电压恢复

应用动态电压恢复技术控制电池的充放电行为，应保证负荷电压的实时数值水平不超过电池元件的额定负载电压。动态电量指标和电压标准值衡量了电池元件对负荷电压的恢复处理能力[5-6]。

设a表示一个随机选取的电力信号动态标记参数，sa表示基于参数a的电力负荷量，δ表示实时压变系数，ΔD表示动态电力信号的单位累积量，d表示电力信号的动态传输量，联立上述物理量，可将动态电量指标选取条件表示为：

电压标准值，即负荷电压平衡参数取值影响电池元件所能负载的额定电压水平。标准值可以理解为额定标度值，恢复电池元件动态电压水平时，标准值作为规定参考条件[7-8]，其计算式如下：

式中，gmax表示模态电压负荷的最大取值，gmin表示模态电压负荷的最小取值，β表示电压波动参数。

联立式（1）、式（2），可将动态电量指标和电压标准值下动态实时负荷标准值计算结果表示为：

式中，f表示电量信号的实时负荷参数，h表示压降差阈值，j表示动态电压的模态负荷。

动态电压恢复是指根据动态实时负荷标准值，将电池元件的电力负荷水平复原至初始状态。由于电力信号的传输始终保持波动性特征，所以在复原处理时，应避免电池元件出现过量负荷的情况[9-10]。

对于电池动态电压恢复条件的求解参考下式：

式中，表示动态电压的单位负荷均值，γ表示电压复原系数，J表示电压动态配置参数。利用以上公式可完成在电池元件充放电行为中，对于动态电压的恢复处理，作为电池充放自适应控制的基础数据。

2、电池充放自适应控制

电池充放电只能以直流形式实现，所以在完成动态电压恢复的过程中，需要借助双向逆变器元件实现三相交流电信号与直流电信号之间的转换。充放电池组件分别与三个独立的电阻元件相连，负责接收外部输入的三相交流电信号，且电量信号的放电传输方向与其输入方向完全相同[11-12]。完整的电池充放电控制结构如图1所示。

图1电池充放电控制结构

如图1所示，电池恢复动态电压的过程中，所负载的电压水平不断升高，但为与双向逆变器的连接状态保持一致，当负载电压达到电池元件的额定电压水平时，三相交流电信号便不再输入，电池充电行为也随之停止。

根据以上控制结构，利用内环控制器基于动态电压的恢复处理条件，对电池充放电行为进行控制。内环控制器属于中间控制结构，其对于电池充放电行为的控制参考上节获得的动态电压恢复条件指令[13]。

设O1、O2表示两个随机选择的充电电池的电量，且二者的传输方向与电极水平均相同，E表示充电电信号的电量强度，基于动态电压恢复技术的充电参数，联立式（4），可将内环控制器的控制量表示为：

相较于内环控制器，外环控制器主要控制电池元件的放电行为。由于动态电压恢复过程中，电池元件会表现出频繁的充放电状态，所以外环控制器必须保持时刻响应的连接状态[14]。此外，自适应控制条件要求，内环控制器中的每一个电量传输信号都只能与外环控制器中的一个信号对象保持对应关系。

外环控制器的控制量参考式（6):

式中，U表示外环调节情况下电池放电过程中的额定电压，表示外环控制器的内阻均值，I表示电池放电过程中的传输电流，n表示电量信号个数。

自适应脉冲控制参数决定了电池元件对充放电行为的控制能力，在动态电压恢复至额定数值状态的情况下，该项物理量的数值水平越高，就表示电池元件对放电行为的控制能力越强[15-16]。

规定y1、y2、⋯、yn表示n个随机选取的电量信号自适应标记参数，且的不等式取值条件恒成立，其具体定义式如下：

q1、q2、⋯、qn表示n个不同情况下的电量信号的数量，ε1、ε2⋯、εn分别表示与q1、q2、⋯、qn相关的电量信号脉冲强度。

联立式（5)-(7），可将电池充放自适应脉冲控制结果表示为：

式中，η表示电池元件充电行为、放电行为间的转化效率，x表示基于动态电压恢复的电量信号配比参数。

根据控制结果的取值，完成对电池充放电量的实时控制，从而实现基于动态电压恢复技术的电池充放自适应控制。

3、实例分析

为验证所应用控制方法在解决充电电压、放电电压不匹配问题方面的实用性能力，选择基于动态电压恢复技术的电池充放自适应控制方法（该文方法）、基于等电感能量变化率的电池充放电切换控制方法（文献[2]方法）、考虑充放电不平衡的电池分组控制方法（文献[3]方法）进行对比实验。

实验中正极材料为二氧化锰、负极材料为锂合金、非水电解质溶液为电解液的锂离子电池作为实验设备。外接380 V的交流电源提供电池充电所需的电量信号。将单层PE结构放置在正、负极材料之间，充当电池隔膜，从而使得电子在充放电过程中可以自由交换。电池元件充放电控制实验环境如图2所示。

图2电池元件的充放电实验环境

充放电控制实验过程中，导线与图2中的1号、2号、3号电池节点相接，电量信号由交流电源进入充电机元件之中，并以直流电量信号的形式存储起来；放电过程中，导线与图2中的4号、5号、6号电池节点相接，直流电量信号由充电机元件内部向外输出，导线内部的电压负荷水平处处相等。

不合理的充放电行为是导致充电电压、放电电压不匹配问题的主要原因，如果放电量水平高于充电量水平，则会影响电池元件的使用寿命。因此该次实验根据电池充电、放电过程中负荷电压的数值水平，判断所应用方法对电池充放电行为的控制能力。其中，基于动态电压恢复技术的电池充放自适应控制方法作为实验组方法，基于等电感能量变化率的电池充放电切换控制方法作为A对照组方法，考虑充放电不平衡的电池分组控制方法作为B对照组方法。

表1记录了实验过程中，三个实验组控制下的电池元件充电电压具体数值。

表1电池元件充电电压

图3反映了实验组、A对照组、B对照组方法控制下，表1电池元件充电时对应的电池元件放电电压数值。

图3电池元件放电电压

分析图3可知，整个实验过程中，在实验组控制下，电池元件放电电压的数值水平始终与充电电压相等；10～40 min时，A对照组电池元件放电电压的数值水平与充电电压相等，40～60 min时，A对照组电池元件放电电压则明显大于充电电压；10～20 min时，B对照组电池元件放电电压的数值水平与充电电压相等，20～60 min时，B对照组电池元件放电电压则大于充电电压。这是因为实验组通过合理调节各个内环和外环控制器的参数，对电池充放电过程进行精确控制。通过监测负荷电压的实时数值，并按需调整充放电行为，电池元件能够始终维持充电电压和放电电压相等，实现动态电压恢复，达到充电电压与放电电压完全匹配的目标。相比之下，A对照组和B对照组的控制方法没有考虑到电池充放电不平衡问题，同时没有采取相应的调节措施，导致了在实验过程中电池元件的放电电压普遍高于充电电压。

综上可知该次实验结论为：

1）应用基于等电感能量变化率的电池充放电切换控制方法、考虑充放电不平衡的电池分组控制方法，不能保证电池元件的充电电压与放电电压始终匹配，因此这两种方法的应用不足以解决充放电行为的控制问题。

2）应用该文设计的基于动态电压恢复技术的电池充放自适应控制方法，可有效控制电池元件的充电电压与放电电压，使其保持完全相等匹配的数值状态，能够较好解决电池元件充放电行为不合理的问题，符合实际应用需求。

4、结束语

为了解决电池元件充放电电压不匹配的问题，文中提出基于动态电压恢复技术的电池充放自适应控制方法。定义了动态电压恢复的动态电量指标，借助内、外环控制器，准确计算自适应脉冲控制参数的数值水平。测试结果表明，该方法可以有效解决由不合理充放电行为造成的充电电压、放电电压不匹配的问题，能够延长电池元件的使用寿命，在控制电池充放电行为方面，具有突出作用价值。

参考文献:

[1]杨乔木,李立伟,杨玉新,等.基于STM32的电池管理系统主控单元设计[J].电子设计工程,2021,29(1):177-180,186.

[2]陈旭海,陈延联,陈佳桥,等.基于等电感能量变化率的PCS充放电切换控制[J].电力电子技术,2021,55(1):22-25.

[3]张小莲,陈冲,张仰飞,等.考虑充放电不平衡的风电功率平滑电池分组控制[J].控制理论与应用,2022,39(3):449-458.

[4]涂春鸣,侯玉超,郭祺,等.面向新能源灵活接入的多功能动态电压恢复器及其优化控制研究[J].电网技术,2021,45(9):3487-3495.

[5]余洋,陈东阳,吴玉威,等.风电跟踪调度计划时降低寿命损耗的电池储能分组控制策略[J].电力自动化设备,2023,43(3):54-62.

[6]刘强,李奇,王天宏,等.基于Salp群算法的多堆燃料电池系统效率优化控制方法[J].中国电机工程学报,2021,41(22):7730-7740.

[7]程志江,田峰,杨涵棣,等.模块化多电平复合变换器电池储能系统模型预测优化控制策略[J].太阳能学报,2023,44(5):59-66.

[8]于琳琳,常青青,孟高军,等.基于区域偏差控制和荷电状态分区的电池储能参与二次调频控制策略[J].热力发电,2021,50(8):157-163.

[9]张春雷,李鹤,董茂林,等.燃料电池空气供应系统自适应神经网络滑模控制[J].东北大学学报(自然科学版),2022,43(9):1270-1276.

[10]王育飞,叶俊斌,薛花,等.基于改进雨流计数法的梯次利用电池储能系统优化控制[J].电力系统自动化,2022,46(8):39-49.

[11]朱显辉,简有为,师楠,等.本征薄层异质结光伏电池特性拟合曲线与填充因子的线性关系[J].电机与控制学报,2021,25(12):96-103.