逆变器切换策略如何影响电池健康？

传统上，储能系统（BESS）的电力变换器设计通常侧重于转换效率和总谐波失真。在这些设计中，电池通常被建模为一个具有固定容量和电阻的简单直流电压源。

然而，在高密度BESS和电动汽车架构中，逆变器的切换策略与电池电化学状态之间的相互作用构成了重要的设计因素。研究表明，切换频率和调制拓扑会影响锂离子电池内的降解机制。这促使我们需要研究特定的电气控制策略如何影响电池寿命。

涟漪频率如何影响电池劣化？

对于给定的滤波器电感，电流纹波与开关频率成反比。这意味着更高的频率使交流输出波形中的涟漪电流变小。

交流波纹电流对电池健康的影响随频率变化显著。最新研究数据显示，低频波纹，特别是低于10赫兹的波纹，比高频开关波纹更能导致容量降级。

如图1所示，数据展示了降解趋势：

• 低频（<10 Hz）：交流电流的周期足以影响活性材料中的电化学扩散过程。这导致电极颗粒的微循环，可能引发热应力和容量损失。因此，低频振荡对细胞化学有害。

• 高频（>1 kHz）：在现代半导体开关典型的频率下，电池的阻抗主要由欧姆和感应行为决定，而非电化学电荷转移。因此，只要有效振幅在额定范围内，高频波纹的容量损失比低频振荡少。

更高的开关频率能提升系统效率吗？

虽然半导体开关损耗通常随频率增加而增加，但电池效率则呈现出不同的趋势。此外，在采用双有源桥（DAB）拓扑的固态变压器应用中，更高的开关频率可以减少储能元件内的损耗。

利用载体拟合方法建模锂离子电池的研究显示，在高频下，该电池表现出感应行为，表明其阻抗特性发生了有利变化。

如图2所示，效率权衡非常明显：

• 上图显示，随着频率从16 kHz升至40 kHz，电池效率从约90%提升到96%。这些频率下的感应电抗限制了电池内阻间的纹波电流大小。

• 然而，底部图显示DAB转换器效率随着频率上升而下降。该分析确定了一个最优的工作点，使联合系统效率最大化。在实验环境中，将频率从20 kHz调整到22 kHz可以提升总效率。此举优化系统整体，而非孤立组件。

主动调制如何平衡电池健康？

逆变器（如级联H桥配置）面临的一个挑战是电池老化的变化可能导致电池组失衡。通常，标准的被动平衡方法会将多余能量以热量形式消散。

利用PI控制器，该方法确定电池单元的切换顺序。控制器根据由充电状态（SoC）和SoH两项指标得出的优先级指数分配占空比。图3展示了该算法的结果：

• A图展示了在标准条件下SoC水平的收敛。

• 图C说明了SoH方差的情景（例如900周期对0周期）。控制器检测老电池的老化状况，并降低其放电速率相对于新电池。

• 图E显示系统在高负载条件下仍能保持同步。此外，它能管理单个电池的放电速率，无需外部硬件平衡电路。

这种方法将平衡从硬件问题转向软件控制问题，减少组件数量，同时积极管理资产健康。

摘要

逆变器控制策略直接影响BES的运行健康。考虑电池阻抗频率依赖性并采用SoH感知调制的工程设计可以减轻降级机制。将这些考虑整合进控制软件和拓扑结构，有助于更好地管理电池资产。