新型光伏锂电无均衡管理储能发电系统分析

付 龙

（山东理工职业学院，山东 济宁 272067）

太阳能作为一种可再生资源，在光能运用过程中有着广阔的前景。据相关研究表明，当前光伏发电系统已经被广泛运用于实际产品生产中，并且从市场反应来看，也取得了较好的效果，因此，在未来发展过程中将会有更广阔的发展空间[1-3]。

1 新型光伏锂电池的由来及发展

光伏发电系统在设计过程中，会存在多种技术问题，其中储能技术则是不可忽视的一项重要内容。锂离子电池由于循环寿命周期相对较长，并且使用过程中性能相对适中，因此，成为了光伏储能系统中的首选电池材料。但是，锂电池具体使用过程中，由于需要电池进行大量的串联后使用，因此，这个过程中会涉及到相应的均衡问题，这在一定程度对于电池储能问题会带来很大影响。当前针对这一问题，虽然相关研发公司做出了合理的改善措施，但是仍存在或多或少的问题。同时，光伏锂电储能系统拓扑结构，也是在这个基础上开发出来的，即光伏电池组合完成通过功率控制单元与锂电池组配合使用。其中这个过程中电池的冲放电问题由能量管理系统调适，对于电池均衡过程通过相应的管理系统实现。由于这个过程中电池均衡系统，需要对于所有电池单体进行合理监控，因此，涉及到的电池组越多，那么均衡器管理中的存在的问题也相对较复杂，工作效率也会随之下降。

针对这一问题，相关研究者提出一种新型的分布式光伏发电系统的拓扑结构，具体设计过程中，是采用一种新型的无均衡设计技术，该设计过程中运用的是新型的光伏电池储能发电系统模组拓扑结构，这项技术是通过电压匹配的锂电池单体或者多体进行并联的方式，然后与光伏电池模块相耦合，这样就可以直接省去了锂电池均衡管理相关程序，从而达到了模组简化设计的目的。此外，采用该技术的光伏锂电储能模组能够相关之间进行串联或者并联，并且单体锂电池之前的容量差异性，不会产生不利影响。与传统储能系统相比较，新型光伏锂电池储能系统不仅设计更为简洁，而且便于后期使用维护，因此，拥有更为广阔的市场前景。

2 锂离子电池模型及模组仿真

2.1 锂离子电池模型

该次研究过程中，采用的是20A.h锂电池，它是由24片850mA.h的TCL PL-383562聚合物锂电池单体相互并联成的。经过实际工作经验可知，采用传统的戴维南等效模型、阻抗模型以及RT模型等，在实际系统设计过程中可能会涉及电池响应方面的问题，因此，该次研究采用的是等效电力模型设计，采用这种设计的优势在于，该等效电路模型在实际工作过程中相对更加精确，便于操作。该设计模型中，左侧部分是由电容（Ccapacity）和电流源（Ibat），这部分设计主要涉及到建模锂电池组的容量、荷电状态。右侧部分的RC网络主要涉及到电池组的暂态响应程序。

2.2 模组仿真设计

该次研究过程中，模组仿真设计与实验设计中是采用同样的配置，即都是4个NBCM光伏锂电池模组组合而成，其中存在的差异特征主要体现于控制单元的有效性方面，即在仿真设计过程中，中央控制系统及后级DC/DC、DC/AC电路问题上存在较大区别。

具体到仿真设计过程中，各锂电池单体在初始SOC可分别设置为0.30、0.35、0.40以及0.45.仿真辐照度在0h～10h区间内呈现正旋半波变化，峰值辐照度数值为1000W/m2。这个设计中，由于MOSFET在工作过程中，电阻值相对较小，因此，仿真组设计中光伏电池电压与锂电池电压并不存在较大的差异。这个过程中不会将电压数值作为判据反向关断条件，而是将其作为判据光伏电池对外供电的一项重要内容。模组仿真初始阶段不会投入负载恒流源，在锂电池充电过程中可以将充电阙值调至为4.0V，这样能够大大延长锂电池的使用寿命。该组设计在实际工作中，分别在6.0h、6.5h、7.5h和8.4h切断光伏电池供电，可投入模组运行模式，将之前的电压分别调至4.0v、7.7v、11.2v和14.6v，在工作10h后，辐照度则降为0。同时发现当锂电池单体电压降至3.3时，该系统电压阙值是3.25v，当4个模组在逐一切出，这个过程中电压值也会呈递减趋势。

通过本次研究发现，仿真设计中的4模NBCM光伏锂电储能模组，在具体工作过程中能够根据自身的负荷状态自行调节相应的程序，且不会受到均衡管理算法的影响，这就进一步验证了锂电池不需要进行均衡管理的想法。同时，通过该次实验还发现，模组在运用过程中，如果出现瞬间高压的情况多是锂电池充放电瞬间暂态变化所引发的。此外，与大量的NBCM模组串联的高压相比较而言，单一模组的投切影响较小，不会导致明显瞬间高压情况发生，并且少量的模组投切也不会对于系统的运行产生影响。

3 实验验证

3.1 锂离子电池容量的选择

锂电池组作为设计中的一项重要储存电能的元件，因此，在电池容量问题上需要进行严格的考量，这个过程中除了电池的电压与终端电压做到相互匹配外，单体锂电池的容量也需要与相连的光伏面板输出功率合理匹配。由于该研究中的重点内容是在验证NBCM控制开关单元及整机模组功能等相关问题，因此，锂电池单体的容量并没有采取实际运行容量，仅仅是采用20A.h锂电池容量作为实验材料。

3.2 控制单元电路板

根据整体的设计系统的功能而言，控制单元可视为储能发电系统中的一个重要部件，在系统正常运行过程中，可以通过耦合光伏电池面板与锂离子电池单体达到相应的保护作用，具体包括锂电池的冲、放电过程。考虑到电池组的最佳使用寿命，锂离子电池的充电截止电压、模组的供电切换电压可设置在4.15v范围内，模组的切出电压可设置为3.25v，这样能够有效保护电池出现过冲、过放情况。同时，该组实验过程中考虑到仿真设计与实际运用会存在一定的差异，因此，在该基本功能的基础上可加入单稳态触发闭锁功能，从而达到保护元器件的作用。其中，单稳态在MOSFET正向降压达到或者高于0.2v，则会自行触发置位，单稳态反向电流达到0.5A，则会自行触发复位。这个过程中，具体工作原理主要体现以下两点内容：①在实验开展中，当检测到MOSFET正向压降至0.2V时，使能MOSFET则会被导通引发闭锁，单稳态被触发置位。②当工作过程中，当辐照度降低至一定程度，则MOSFET则会瞬间出现方向电流，这个过程中MOSFET导通工作中可能会受到外界条件的限制，因此，控制单位在电流检测问题上的设置元件，可采用阻值为10兆欧，精度系数为0.1%的电阻，并且可以通过电流检测放大电路、RC滤波缓冲电路提供MOSFET驱动以及闭锁判据。对于实现相应的闭锁功能，则可以通过改变电压Vth1、Vth2完成。

同时，单元控制工作设置可划分为4个等级：第1级为模组对外供电，第2级为光伏电池面板切入供电，第3级为模组退出供电，第4级为PV面板切出供电。在实际工作过程中，首先需要对模组的输出电压和锂离子电池端的电压值，进行科学检测，以此达到二者间的科学匹配。根据该次的实验设计要求，控制电路设计过程中一般可主要分为3个部分：光伏电池与锂离子电池单体耦合电路、控制逻辑与保护电路以及继电器/MOSFET驱动电路。值得注意的是，光伏电路板的合理选型分割，能够有效实现光伏电池的最大功率输出，从而达到最大工作效能，因此，在实际工作过程中需要结合实际情况运用。此外，由于系统在实际工作过程中，采用的是低导通电阻的高效MOSFET以及相应的驱动电路，则最大程度提升了光伏锂电池对于锂离子电池单体电池的充电效率。加上与肖特基二级管近似直连的方式，最大优化了光伏电池与锂电池单体之间的耦合组结构配置（30W光伏电池配置为例），则能够将模组的整体工作效能提升约8%。

该次实验中设置4个模组，通过实验研究发现，当4个模组同时工作至57h后，模组1和模组3切入后，相应的输入电压升至8.2v，模组2和模组4分别在57.5h和62.5h切入供电后，则输出电压越级则较为明显，系统工作81h后，可控电子负载以横功率模式投入。白天该模组在实际运用过程中，由于处于有光的环境中，最大功率点的光伏电池在向电池负载供电的同时，也会向锂电池进行供电；夜晚无光的环境，光伏电池则会停止工作，这时锂电池则会有锂电池完成负载供电，因此，这种工作模式下，4-NBCM模组在输出端的供电电压也会发生相应的变化。实验期间，系统工作的第9天，由于辐照度不足，光伏电池则无法正常工作，因此，锂电池的工作电压也逐渐降至切换到阙值电压，这样导致模组一一退出供电。实验过程中，由于模组3是最后切出，因此，在工作至212h～213h时承担了所有的负载用电，并出现了电流的尖峰期。之后，第10日各方条件恢复正常，模组重新恢复到正常工作状态。

通过本次实验结果能够发现，每个电池组工作过程中都需要设置相应的预设电压阙值，并在此基础上实现有效投切。同时，相关功能开关在相互切换过程中，是通过三态继电器和简单的暂态二极管续流电路，来实现模组的无缝投切，并且能够保证每个NBCM模组中的单体锂电池能够正常充放电，且不会出现过冲、过放情况。这样就进一步验证了储能系统以及无均衡管理方式的应用效果[4-6]。

4 结语

通过该次实验研究发现，4-NBCM光伏锂电池储能模组，能够独立进行工作并完成有效的充放电相关管理效能。因此，由于本次实验设计过程中，采用的无均衡管理拓扑光伏锂电池储能系统能够取得较理想的设计效果，并且传统设计过程中涉及到的锂电池均衡管理、单体过冲等相关问题，在这个过程中也会得到有效解决，因此，改变了传统系统安全中存在的不足。

同时，由于该实验系统设计过程中，不需要均衡管理系统的参与，因此，系统的控制功能得到了最大程度的简化，并且在上述功能运用到集成控制芯片中，选用低成本、低功耗的控制芯片则能够正常的完成相应的工作程序，这样大大节省了整体经济支出。此外，通过控制器提供科学的数据上传以及有效的荷电状态估计，能够实现系统智能化供电能力等相关内容的预测，这样则能够保证系统更为科学的运行。