逆變器切換策略如何影響電池健康？
加入技術(shù)交流群
傳統(tǒng)上，儲能系統(tǒng)（BESS）的電力變換器設(shè)計(jì)通常側(cè)重于轉(zhuǎn)換效率和總諧波失真。在這些設(shè)計(jì)中，電池通常被建模為一個(gè)具有固定容量和電阻的簡單直流電壓源。
然而，在高密度BESS和電動汽車架構(gòu)中，逆變器的切換策略與電池電化學(xué)狀態(tài)之間的相互作用構(gòu)成了重要的設(shè)計(jì)因素。研究表明，切換頻率和調(diào)制拓?fù)鋾绊戜囯x子電池內(nèi)的降解機(jī)制。這促使我們需要研究特定的電氣控制策略如何影響電池壽命。
漣漪頻率如何影響電池劣化？
對于給定的濾波器電感，電流紋波與開關(guān)頻率成反比。這意味著更高的頻率使交流輸出波形中的漣漪電流變小。
交流波紋電流對電池健康的影響隨頻率變化顯著。最新研究數(shù)據(jù)顯示，低頻波紋，特別是低于10赫茲的波紋，比高頻開關(guān)波紋更能導(dǎo)致容量降級。
如圖1所示，數(shù)據(jù)展示了降解趨勢：
低頻（<10 Hz）：交流電流的周期足以影響活性材料中的電化學(xué)擴(kuò)散過程。這導(dǎo)致電極顆粒的微循環(huán)，可能引發(fā)熱應(yīng)力和容量損失。因此，低頻振蕩對細(xì)胞化學(xué)有害。
高頻（>1 kHz）：在現(xiàn)代半導(dǎo)體開關(guān)典型的頻率下，電池的阻抗主要由歐姆和感應(yīng)行為決定，而非電化學(xué)電荷轉(zhuǎn)移。因此，只要有效振幅在額定范圍內(nèi)，高頻波紋的容量損失比低頻振蕩少。
圖1。頻率依賴性電池老化的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。注意破壞性低頻區(qū)與良性高頻區(qū)之間容量衰落（d）的差異。（圖片來源：IEEE)
更高的開關(guān)頻率能提升系統(tǒng)效率嗎？
雖然半導(dǎo)體開關(guān)損耗通常隨頻率增加而增加，但電池效率則呈現(xiàn)出不同的趨勢。此外，在采用雙有源橋（DAB）拓?fù)涞墓虘B(tài)變壓器應(yīng)用中，更高的開關(guān)頻率可以減少儲能元件內(nèi)的損耗。
利用載體擬合方法建模鋰離子電池的研究顯示，在高頻下，該電池表現(xiàn)出感應(yīng)行為，表明其阻抗特性發(fā)生了有利變化。
如圖2所示，效率權(quán)衡非常明顯：
上圖顯示，隨著頻率從16 kHz升至40 kHz，電池效率從約90%提升到96%。這些頻率下的感應(yīng)電抗限制了電池內(nèi)阻間的紋波電流大小。
然而，底部圖顯示DAB轉(zhuǎn)換器效率隨著頻率上升而下降。該分析確定了一個(gè)最優(yōu)的工作點(diǎn)，使聯(lián)合系統(tǒng)效率最大化。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，將頻率從20 kHz調(diào)整到22 kHz可以提升總效率。此舉優(yōu)化系統(tǒng)整體，而非孤立組件。
主動調(diào)制如何平衡電池健康？
圖2。電池與變換器在不同開關(guān)頻率下?lián)p耗的效率權(quán)衡，突出了整體系統(tǒng)效率的最佳工作點(diǎn)。（圖片來源：奧維耶多大學(xué))
逆變器（如級聯(lián)H橋配置）面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是電池老化的變化可能導(dǎo)致電池組失衡。通常，標(biāo)準(zhǔn)的被動平衡方法會將多余能量以熱量形式消散。
利用PI控制器，該方法確定電池單元的切換順序。控制器根據(jù)由充電狀態(tài)（SoC）和SoH兩項(xiàng)指標(biāo)得出的優(yōu)先級指數(shù)分配占空比。圖3展示了該算法的結(jié)果：
A圖展示了在標(biāo)準(zhǔn)條件下SoC水平的收斂。
圖C說明了SoH方差的情景（例如900周期對0周期）?？刂破鳈z測老電池的老化狀況，并降低其放電速率相對于新電池。
圖E顯示系統(tǒng)在高負(fù)載條件下仍能保持同步。此外，它能管理單個(gè)電池的放電速率，無需外部硬件平衡電路。
圖3。動態(tài)SoC在不同負(fù)載和健康條件下的性能平衡。（圖片來源：Wiley)
這種方法將平衡從硬件問題轉(zhuǎn)向軟件控制問題，減少組件數(shù)量，同時(shí)積極管理資產(chǎn)健康。
摘要
逆變器控制策略直接影響B(tài)ES的運(yùn)行健康?？紤]電池阻抗頻率依賴性并采用SoH感知調(diào)制的工程設(shè)計(jì)可以減輕降級機(jī)制。將這些考慮整合進(jìn)控制軟件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有助于更好地管理電池資產(chǎn)。
評論