INT J CIRC THEOR APP 大理大学 蒋建波 | 基于变压器均衡与聚类算法的退役动力电池大规模集成系统

文献速读

随着电动汽车行业的蓬勃发展，退役动力电池的数量急剧增长，通过梯次利用可充分挖掘其剩余价值，以缓解环境治理的压力。然而，退役动力电池的不一致性显著，是制约其梯次利用的关键瓶颈。本文提出一种级联H桥（CHB）逆变器、变压器型均衡电路和四有源桥（QAB）变换器相结合的模块化拓扑，以及基于K均值聚类算法的电池组SOC均衡技术，以实现退役动力电池的大规模集成，并提升集成系统的可靠性。

正文导读

所提出拓扑利用QAB作为前级变换器，实现输入独立，满足退役动力电池的分割管理需求；QAB输入端口的功率可以平均分配至三个输出端口，从拓扑层面解决CHB的相间功率不均衡问题；此外，由于QAB的三个输出端口所连接的H桥逆变器单元分别分配至CHB的三相桥臂中，其高频变压器还可实现CHB的H桥逆变器单元直流侧的两倍频功率解耦，避免了大体积电解电容的使用。

CHB则作为后级并网端口，有效提升集成系统的容量和电压等级，可并入中高压交流电网，参与电网调频，有助于提升新能源消纳率。

利用多绕组变压器，并复用QAB的输入端口逆变器，可构成变压器型均衡电路，其本质上是一个多有源桥（MAB）变换器。复用QAB端口逆变器可有效降低拓扑复杂度与成本；针对退役动力电池的不一致性问题，需要根据各电池组的实时SOC差异化各电池组的充放电功率，这会造成CHB的相内功率不均，利用MAB实现各子模块间的能量交互，以解决上述问题；聚类算法的应用，可显著降低MAB的控制复杂度，提升整个系统的可靠性。

图1 所提出的拓扑结构

针对该集成系统设计的控制策略，包括上层控制和本地控制。上层控制根据电网功率需求生成电池组充/放电的电流参考值，并根据各电池组实时SOC生成差异化的电流参考值，实现SOC均衡。本地控制则包括QAB的单移相控制、CHB的电压-电流双闭环控制和CHB的相内电压均衡控制，其中CHB的相内电压均衡控制由MAB实现，通过聚类算法的应用以降低控制复杂度。

图2 控制策略框图

图3 电池组充电和放电时的SOC均衡效果

本文所提方案为储能系统的大规模、高可靠性集成提供了一种新的思路，该方案的推广将带来显著的社会效益与经济效益。社会效益层面，它能大幅减少退役电池随意丢弃带来的重金属、电解液污染，降低土壤、水源等生态环境破坏风险；同时延长电池生命周期，减少新电池生产对锂、钴等稀有金属资源的开采依赖，助力资源循环利用，契合双碳目标下的绿色发展要求，还能通过储能应用提升风电、光伏等可再生能源的消纳效率，推动能源结构转型。经济效益上，梯次利用电池成本仅为新电池的30%-50%，可广泛应用于储能、通信基站备用电源、低速电动车等场景，为相关行业降低运营成本；企业布局梯次利用业务能延伸产业链，开辟新利润增长点，还能带动电池检测、重组、储能系统集成等配套产业发展，创造就业岗位。此外，规范的梯次利用体系能提升企业环保形象，增强用户粘性，在政策支持与市场需求驱动下，产业规模持续扩大，经济价值不断凸显。

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