锂离子电池储能系统建模与控制策略研究

王志，唐云峰，熊雄，胡金芳

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）

锂离子电池储能系统建模与控制策略研究

王志，唐云峰，熊雄，胡金芳

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）

储能对功率及能量的时间、空间迁移能力是解决间歇性电源并网输出波动性、间歇性等一系列问题的有效措施［1-2］。其中，电化学储能方式应用较为广泛，但是其并网中的配置及不同工况对其充放电特性有较大影响。因此，需对电池储能系统控制及充放电特性展开研究以满足电池安全稳定运行、快速充放电响应和瞬时大功率输出的要求。

锂离子电池储能以其结构简单，循环寿命长等特点被逐步应用于间歇性电源发电领域［3-5］。文献［6-8］从锂离子电池本体内部的损耗角度，建立了等效模型，研究了锂离子电池充放电特性；文献［9］研究了不同充放电模式对锂离子电池系统效率的影响。但是文献［4］都是在理想充放电情况下，并没有考虑含变换器的电池安全充放电控制模式及其不同工况下储能系统的充放电动态响应能力。

基于此，为了更准确地研究锂离子电池储能系统的充放电特性，提出含DC/DC变换器的不同充放电模式控制策略研究。在分析并建立锂离子电池储能系统等效模型的基础上，采用内环为锂离子电池侧电感平均电流控制，外环为恒功率、恒流和恒压切换控制的DC/DC变换器双闭环策略。以锂离子当前电池荷电状态和充放电功率作为输入条件，建立模糊控制模块对其SOC进行自适应控制，保证其安全运行同时，优化其运行工况。

1 锂离子电池储能系统建模

锂离子电池储能系统主要包括正负极板、电解质、隔膜与外壳等主要部件组成［8］，其工作原理如图1所示。

在锂离子电池工作时，通过锂离子在正负极之间的移动来实现电池的快速充放电，而电池结构不会发生不可逆的变化。当电池充电时，锂离子从正极分离，在负极中嵌入；当电池放电时，锂离子从负极分离，在正极中嵌入［9-10］。

图1 锂离子电池工作原理结构图Fig.1 Structure chart of Li-ion operating principle

为了反映出锂离子电池的动态响应特性、输入输出的伏安特性以及荷电状态随充放电的变化特性［13-15］，本文建立了锂离子电池简化等效电路，如图2所示。

图2 锂离子电池等效电路Fig.2 Equivalent circuit of Li-ion

为了防止锂离子电池过充或过放，保证锂离子电池端电压工作于线性变化区，SOC取值为0.15～0.8［11］。其SOC随充放电时间变化特性可表示为：

式（2）中，Pstack为锂离子电池的输出功率；Pn为额定功率；Tstep为仿真步长；Trated为锂离子电池在额定功率输出下的持续工作时间。

电压Us为：式中，Vequilibrium为单体锂离子电池均衡电势；R为流体常数；T为温度；F为法拉第常数。

2 基于双向DC/DC的锂离子电池充放电控制策略

为了提高系统运行稳定性与动态响应速度，本文采用互补型PWM控制的双向DC/DC变换器，实现能量的双向传输［12-13］，其锂离子电池储能系统的主电路框图如图3所示。

图3 锂离子电池储能系统主电路框图Fig.3 Circuit diagram of Li-ion energy storage system

从图3可以看出，该储能系统由锂离子电池组、双向DC/DC变换器、电压型三相PWM逆变器以及并网电抗器组成。当电网向锂离子电池充电时，逆变器做整流运行，为DC/DC提供前级恒定电源，而当锂离子电池放电时，又通过逆变器实现向电网回馈能量，其中通过控制双向DC/DC变换器可实现锂离子电池的恒功率、恒流及恒压等充放电方式。本文提出的双向DC/DC控制结构如图4所示。双向DC/DC变换器采用双闭环控制方式，其中电流内环采用锂离子电池侧电感平均电流模式控制，外环根据不同工况采用恒功率、恒电流、恒电压3种控制模式切换［16-18］。

图4 双向DC/DC变换器控制框图Fig.4 Control diagram of bi-directional DC/DC converter

图4中Pref、Iref及Uref分别为充放电功率、电流和电压给定值；Pbattery为电池功率；Udc为直流侧电压；IL为电感电流。

当锂离子电池储能系统处于频繁无规则充放电时，将加速电池储能寿命损耗，且当前充放电指令可能造成锂离子储能SOC接近上、下限，从而影响下一次充放电能力，因此有必要对其SOC进行控制。在如图4所示的DC/DC控制模块基础上，加入SOC模糊自适应控制模块如图5所示。

图5 soc模糊自适应控制框图Fig.5 soc fuzzy adaptive control block diagram

在输入变量中，Pb为经DC/DC控制环节后的计算输出储能充放电功率指令，SOCb为检测并计算得到的当前剩余电量百分比，可用当前电量比上额定电量得到，输出变量Kb为经模糊控制后输出电池充放电功率指令修正系数，经剩余容量计算可得到以修正功率充放电后电池SOCb2值。建立模糊规则如表1所示，输入、输出隶属度函数如图6所示。

表1 模糊控制规则Tab.1 Fuzzy control rule

图6 模糊控制输入、输出隶属函数Fig.6 Input and output membership functions of the fuzzy control

其中，VS、S、MS、M、MB、B、VB、NB、NM、NS、PS、PM、PB分别代表非常小、小、中小、中、中大、大、非常大、负大、负中、负小、正小、正中、正大。

3 仿真分析

3.1 充放电特性仿真分析

为了验证所提出的充放电控制策略的合理性及有效性，本文针对含双向DC/DC变换器的10 kW锂离子电池储能系统进行仿真验证。

以10 kW锂离子电池储能系统模型为基础，分别在3 kW、5 kW、7 kW、10 kW充放电功率和80 A、100 A、120 A、140 A充放电电流工况下，对比锂离子电池外部端电压及充放电效率特性变化规律。

当锂离子电池初始SOC为0.2时，分别以不同功率、电流进行一次循环充放电，其端电压随时间变化的响应波形如图7所示。

图7 不同充放电功率及电流下锂离子电池端电压特性Fig.7 Terminal voltage characteristic of Li-ion under the different charge-discharge power and current

从图7可以看出，随着充放电功率或电流的增加，端电压的变化速率加快，其充电电压升高的范围随之变大，而放电电压降低的范围也随之增大，这是由于锂离子电池内部损耗和寄生损耗造成的。这就容易造成电池端电压越限，工作于不安全状态。因此，为了保证锂离子电池工作在安全充放电电压范围内及输出电压满足使双向DC/DC变换器正常工作的要求，需要适当地选取充放电模式。

设置不同充放电功率、电流为0～10 kW、0～200 A，使SOC在0.1到0.8之间变化，可以得到锂离子电池充放电效率与荷电状态及充放电功率、电流之间的变化规律，如图8、图9所示。由图8、图9变化曲线可以看出，不同充放电功率、电流和变化的荷电状态对锂离子电池系统的效率都有一定的影响。恒定充放电功率或电流下，随着SOC的增加，效率有所提高；同时可以看出，当SOC在0.1～0.2时，效率相对较低，这是由于锂离子电池工作在非线性区，造成能量的大量损失；而SOC在0.2～0.8变化时，其效率变化范围相对较小。

图8 不同荷电状态及充放电功率下锂离子电池充放电效率特性Fig.8 Charge-discharge efficiency characteristic of Liion under the different SOC and Charge-discharge power

图9 不同荷电状态及充放电电流下锂离子电池充放电效率特性Fig.9 Charge-discharge efficiency characteristic of Li-ion under the different SOC and charge-discharge current

在SOC一定的情况下，随着充放电功率或电流的增加，效率呈现出增高-稳定-降低的过程，当充放电功率或电流达到3.5 kW或60 A时，效率达到最高点，在此之后效率会有明显降低。因此，由图7效率图可以看出，在进行锂离子电池充放电选择的时候，要综合考虑其充放电模式、能量利用率、电池安全性等因素，从而达到锂离子电池储能系统的安全、有效利用。

3.2 SOC模糊自适应控制仿真分析

将1 kW锂离子电池储能运用到风光联合发电场景中，其中风电为2 kW、光伏为1.5 kW，则建立模糊控制器后仿真结果如图10所示。

图10 待跟踪功率及风光实际输出功率Fig.10 Power to be tracked and actual output curve

图10中待跟踪功率为决策者根据当前系统运行情况下达的平滑风光输出指令，即为待跟踪功率指令，在实际运行中可根据当前调度计划或经济运行来确定，由于不是本文讨论重点，在这里省去此步骤。由仿真结果可知，含有模糊控制器后，风光储联合发电系统能够很好地跟踪功率指令，满足系统需求，这是因为锂离子电池储能充放电更加合理，能够兼顾下一时刻充放电能力同时，较好的跟踪上一时刻充放电指令。如图11所示，含有SOC模糊自适应控制模块和未含此模块下锂离子电池储能SOC曲线。SOC1、SOC2分别为加入模糊自适应控制模块前后锂离子电池SOC曲线。

图11 SOC曲线对比图Fig.11 SOC curve comparison chart

由图11可知，对锂离子电池SOC进行模糊自适应控制后，其在充放电过程中SOC2值较SOC1始终维持在更平衡的状态下，一方面利于下一时刻充放电的均衡性，另一方面优化电池运行工况，延长了其寿命。

4 结论

本文在锂离子电池损耗等效电路模型基础上，提出含双向DC/DC变换器的锂离子电池不同模式充放电控制策略，通过仿真研究，验证了本文所提出的充放电控制策略的有效性，为确保电池储能系统SOC值维持在合理水平，设计并建立了模糊自适应控制模块对锂离子电池SOC进行控制，通过风光储联合发电场景的仿真，其结果验证了所建立模糊控制模块的正确性。

［1］LUO C，BANAKAR H，SHEN B，et al.Strategies to smooth wind power fluctuations of wind turbine generator［J］. IEEE Trans on Energy Conversion，2007，22（2）：341-349.

［2］吴明，莫晓丹，陈昌伟.发展清洁能源促进低碳经济的途径探讨［J］.陕西电力，2010，38（4）：78-81.

WU Ming，MO Xiaodan，CHEN Changwei.Develop clean energy to promote low carbon economic［J］.Shaanxi Eletric Power，2010，38（4）：78-81（in Chinese）.

［3］于芃，周玮，孙辉，等.用于风电功率平抑的混合储能系统及其控制系统设计［J］.中国电机工程学报，2011，31（17）：127-133.

YU Peng，ZHOU Wei，SUN Hui，et al.Hybrid energy storage system and control system design for wind power balancing［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31（17）：127-133（in Chinese）.

［4］田廓.建设坚强智能电网的技术经济关键问题框架研究［J］.陕西电力，2010，38（1）：37-40.

TIAN Kuo.The construction of strong smart grid research key problems of technical and economic framework［J］. Shaanxi Electric Power，2010，38（1）：37-40（in Chinese）.［5］李霄，胡长生，刘昌金，等.基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制［J］.电力系统自动化，2009，33（9）：86-90.

LI Xiao，HU Changsheng，LIU Changjin，et al.Modeling and controlling of SCES based wind farm power regulation system［J］.Automation of Electric Systems，2009，33（9）：86-90（in Chinese）.

［6］陈惠斌，沈学忠.电力调峰和相变储能技术［J］.陕西电力，2006，34（5）：50-52.

CHEN Huibin，SHEN Xuezhong.Application of phase change energy storage technology in peak load shifting of electric power［J］.Shaanxi Electric Power，2006，34（5）：50-52（in Chinese）.

［7］陈树勇，申洪，张洋，等.基于遗传算法的风电场无功补偿及控制方法的研究［J］.中国电机工程学报，2005，25（8）：1-6.

CHEN Shuyong，SHEN Hong，ZHANG Yang，et al. Researches on the compensation and control of reactive power for wind farms based on genetic algorithm［J］.Proceedings of the CSEE，2005，25（8）：1-6（in Chinese）.

［8］POTANINAE，POTAMIN V Y.Li-ion battery charger with three-parameterregulationloop［C］//PowerElectronics Specialists，2005 IEEE 36th Conference.Recife，Brazil：IEEE，2005：2836-2840.

［9］王俊，曲延涛，孟广军，等.相变储能材料应用于基站设备初探［J］.节能技术，2008，26（2）：151-154.

WANG Jun，QU Yantao，MENG Guangjun，et al.Phase change energy storage material is applied to the base station equipment［J］.Energy-saving Technology，2008，26（2）：151-154（in Chinese）.

［10］许守平，侯朝勇，胡娟，等.储能用锂离子电池管理系统研究［J］.电网与清洁能源，2014，30（5）：70-78.

XU Shouping，HOU Chaoyong，HU Juan，et al.Study on Li-Ion battery management system of energy storage［J］. Power System and Clean Energy，2014，30（5）：70-78（in Chinese）.

［11］LUDWIGJOERISSEN，JUERGENGARCHE，FABJANCH，et al.Possible use of vanadium redox-flow batteries for energy storage in small grids and stand-alone photovoltaic systems［J］.Journal of Power Sources，2004，127：98-104.

［12］张方华，朱成花，严仰光.双向DC-DC变换器的控制模型［J］.中国电机工程学报，2005，25（11）：46-49.

ZHANG Fanghua，ZHU Chenghua，YAN Yangguang.The controlled model of bi-directional DC-DC converter［J］. Proceedings of the CSEE，2005，25（11）：46-49（in Chinese）.

［13］谢清华.含多个微源的微电网/孤网运行仿真研究［J］.陕西电力，2009，37（8）：10-13.

XIE Qinghua.Containing multiple micro source of micro grid/isolated net running simulation［J］.Shaanxi Electric Power，2009，37（8）：10-13（in Chinese）.

［14］金一丁，宋强，刘文华.基于公共直流母线的链式可拓展电池储能系统及控制［J］.电力系统自动化，2010，34（15）：66-70.

JIN Yiding，SONG Qiang，LIU Wenhua.Control and analysis of cascaded battery energy storage system based on a common DC bus［J］.Automation of Electric Power Systems，2010，34（15）：66-70（in Chinese）.

［15］尚燕，张雄.新型相变储能技术的应用于发展［J］.节能技术，2006，34（2）：21-26.

SHANG Yan，ZHANG Xiong.Application and development on the techmology of phase change energystorage［J］. Energy-saving Technology，2006，34（2）：21-26（in Chinese）.

［16］倪政旦，樊利.风电并网中新型储能系统建模分析［J］.陕西电力，2012，40（6）：28-30.

NI Zhengdan，FAN Li.Modeling and analysis of energy storagesystemofwindpowerintegration［J］.Shaanxi Electric Power，2012，40（6）：28-30（in Chinese）.

［17］梁振峰，杨晓萍，张娉.分布式发电技术及其在中国的发展［J］.西北水电，2006（1）：51-53.

LIANG Zhenfeng，YANG Xiaoping，ZHANG Pin.Distributed power generation technology and its developmentin China［J］.Northwest Water Power，2006（1）：51-53（in Chinese）.

［18］刘洁，王菊香，邢志娜，等.燃料电池研究进展及发展探析［J］.节能技术，2010，28（4）：364-368.

LIU Jie，WANG Juxiang，XING Zhina，et al.Fuel cell research progress and development analysis［J］.Energysaving Technology，2010，28（4）：364-368（in Chinese）.

（编辑 徐花荣）

Li-Ion Battery Energy Storage System Modeling and Control Strategy

WANG Zhi，TANG Yunfeng，XIONG Xiong，HU Jinfang
（College of Information and Electrical Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

研究了含DC/DC变换器的锂离子电池系统的充放电特性。以锂离子电池等效电路为基础，提出了电池侧电感平均电流内环控制及恒功率、恒电流和恒电压切换的外环控制DC/DC双闭环策略。以锂离子电池当前荷电状态和充放电指令为输入条件，建立模糊控制模块，基于模糊理论对其充放电进行自适应安全控制。仿真结果表明所建立锂离子模型及控制策略正确性有效性。

锂离子电池；DC/DC变换器；充放电特性；控制策略；模糊控制

This paper presents a study on the chargedischarge characteristics of the Lithium-ion battery（Li-Ion）energy storage system containing the DC/DC converter.Based on modeling of Li-Ion equivalent circuit，this paper proposes a double closed loop strategy of the DC/DC converter where the inner loop is the average current control on Li-Ion side inductance and the outer loop is the switch control by the constant active power，the constant current and the voltage.Then，with the Li-Ion current state of charge（SOC）and discharge instructions as the input conditions，a Fuzzy Control Module is set up to control its charge/discharge adaptive.The simulation results have proved correctness and effectiveness of the control strategy for the Lithium-ion battery.

Lithium-ion battery；DC/DC converter；chargedischarge characteristic；control strategy；fuzzy control

1674-3814（2015）04-0119-05

TM912

A

2015-02-09。

王志（1989—），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统运行、控制与规划；

唐云峰（1964—），男，副研究员，硕士，从事电力系统及其自动化研究；

熊雄（1988—），男，博士研究生，主要研究方向为电力系统稳定与控制、储能技术。