基于無均衡管理的車用蓄電池—光伏單體發電系統

康靜雅

摘要：隨著電動汽車產業快速發展，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行梯次利用。傳統光伏儲能發電系統都是由光伏陣列和儲能電池組經串并聯構成的，易受光伏電池陰影效應及儲能電池均衡性問題的影響，不適合具有很強參數不一致的退役電池。基于此，提出一種由單體光伏電池和單體儲能電池構成的無均衡管理光伏儲能發電系統。該系統中，單體光伏電池和與之電壓、容量匹配的單體儲能電池構成光伏儲能模組，并聯匯流至直流母線，向直流負載或經逆變器向交流負載供電。通過監測各部分的電壓電流，對光伏儲能模組進行工作模式間切換以實現模組內部獨立控制。相比于單純的將不同性能的廢棄電池串并聯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行了有效利用。

關鍵詞：電動汽車蓄電池；梯次利用；光伏儲能發電系統；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到出廠容量的80%，尚且可以進行一系列儲能應用。

然而，即使經過嚴格篩選的退役電池模組，在重新配對成組為系統之后，由于大多數電芯都已進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，突出表現為容量和內阻的差異越來越大，導致系統在可用容量和充放電功率方面越來越弱，可靠性問題嚴重。若作為傳統太陽能發電儲能電池，即將不同電池串并聯成組供電，則可能由于電池特性不同影響發電效率，甚至造成電池損壞[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點：儲量豐富、分布廣泛、綠色環保等。但其在實際發電應用中也存在能量密度低、發電不穩定、系統可靠性低等問題。為了解決這些問題，又需要增加很多設備與投資：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換設備，而目前的太陽能利用裝置普遍效率低、成本高；為了提高系統穩定性，系統必須加入儲能環節，

但目前蓄能仍是太陽能利用中較為薄弱的一個環節，同時也提高了太陽能發電的利用成本。由于日照強度，環境溫度等自然條件的變化導致光伏發電不能持續穩定的輸出電能，影響系統穩定性。因此在系統中配置一定容量的儲能裝置，對光伏并網發電系統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電成本問題的基礎上，提出了一種基于無均衡管理的車用蓄電池-光伏單體發電系統。該技術采用一種新型的光伏電池儲能發電系統模組拓撲結構，將容量、電壓匹配的鋰離子電池-光伏電池單體并聯，不需要鋰電池均衡管理，實現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產生顯著影響[7]。

2拓撲結構

由圖可知，系統主要包括以下幾部分：

1）光伏發電系統：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）數據采集系統：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、直流節點電壓、系統輸出功率等信號，為控制系統的實時分析處理提供數據來源。

3）控制系統：根據數據采集系統提供的各項運行參數，以及相關控制要求和調度要求，來實現對系統的能量管理與控制。可以實現對每個單體內光伏電池和蓄電池的獨立投切。

對于傳統光伏系統——光伏電池通過串并聯構成光伏陣列，儲能電池單體通過串并聯構成儲能電池組，光伏陣列與儲能電池組并聯，后經功率變換后向負載供電。儲能電池組需要充放電和均衡管理控制器。傳統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電系統，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，實現光伏電池和儲能電池的獨立投切。將一定數量的模組并聯接入直流母線；直流母線可直接向直流負載供電，或經DC/AC電路向交流負載供電。實現了光伏電池和儲能電池單體的獨立控制，從而解決了傳統光伏陣列的陰影效應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載供電

模式2：儲能電池和太陽能電池共同向負載供電

模式3：太陽能電池同時向儲能電池和負載供電

模式4：太陽能電池退出運行，儲能電池單獨向負載供電

信息采集系統檢測采集光伏電池輸出電壓電流、蓄電池輸出電壓電流、直流節點電壓、系統輸出功率等信號，與設定值進行比較從而進行模式切換。

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電系統，解決實際應用中電動汽車退役電池電芯容量內阻離散型問題和光伏發電的成本降低問題。通過模組內單體光伏電池和單體儲能電池的獨立投切和串聯支路內模組的投切控制，解決了傳統光伏儲能發電系統遇到的問題，通過無均衡管理避開蓄電池串并聯的均衡模式問題，提高了蓄電池的使用效率，對電動汽車退役電池進行了有效利用，并在一定程度上降低了儲能型光伏發電中蓄電池帶來的成本增加。

參考文獻：

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