级联式储能电池组均衡器及其自均衡策略

浙江网新联合工程有限公司、诺基亚通信系统技术有限公司的研究人员陈威、叶少士、刘冬，在2018年第1期《电气技术》杂志上撰文指出，城市环境的特点决定了分布式城市微电网储能系统需要一种电路和控制方式均较为简单的电池均衡器。

针对这一应用条件特点提出了一种新颖的级联式电池组均衡器，该均衡器通过由开关管和均衡电感组成的简单均衡电路模块，即可和一个公共均衡电容相连，实现能量的无缝双向流动。同时均衡控制策略简单可靠，舍弃了传统方式中电池组单体的传感器外围电路和实现复杂算法的微处理器，极大地减小了体积并降低成本。

在详细描述了工作原理和参数分析后，搭建的验证样机和电池组充电平台均有效验证了所提均衡器的正确性和有效性，因而具有实际工程应用推广价值。

作为清洁能源技术在智慧城市中的重要组成应用，分布式微电网的建设和发展一直是国内外研究的重要课题，并在我国已经列入了“十三五”规划。其中，储能系统又是微电网系统发展中的重点，特别是作为储能系统基本单元的串联电池组的性能优劣，直接决定了整体系统的可靠性和安全性，堪称是新能源技术能否有效普及的关键因素[1]-[2]。

储能系统电池组性能提升的瓶颈在于：通过各种均衡电路和控制手段，在充放电过程中尽量消除因各电池单体之间性能差异，从而发挥储能系统最大用容量和整体装置可用率[3]-[11]。同时城市环境下的狭小空间和高密度分布的特点，又对储能系统提出了简单高效体积小的要求。

近年来，属于节能环保的有源平衡型电池组均衡器取得了长足发展。根据均衡电路所采用的原理不同，有源平衡型均衡器可分为开关电容/电感型和DC-DC变流器型两种形式[3]-[7]。一般而言，采用能量双向流动的DC-DC变流器或反激式变流器，配合电池的荷电状态(State Of Charge，SOC)检测，可有效地将能量由电池组中端电压或SOC最高的单体电池向最低的单体电池转移，以达到均衡[9]。

但要准确而可靠地获得电池的SOC，需附加一系列电池单体传感器外围电路和高性能微处理器，从而增加了系统复杂度和整体装置体积成本[10]，且受限于城市空间的实际使用特点，该技术不利于大面积推广。

并且电池组的SOC估计又与均衡控制策略密切相关，不同的均衡控制策略导致不同的单体最终状态特性，反过来又直接影响电池组SOC的估计[11]。另外，DC-DC变流器的使用也增加了系统额外效率损耗，影响热设计和功率密度的提升[7]。

本文提出了一种新颖的非隔离开关电感式级联电池组均衡器。该均衡器利用简单的开关管和电感的组合，即可实现能量的双向流动，而无需复杂的双向变流器辅助。同时，采用的自均衡控制策略可自动平衡每一个电池单体的电压，无需采集电池单体参数信息，舍弃了实现复杂控制算法的微处理器和外围传感器电路。因而该简单低成本的均衡器非常适合应用于在城市环境下的分布式微电网的储能系统中。

在给出原理分析的参数设计后，一台实际样机证明该均衡器和自主均衡策略的有效性。

图1 级联式电池组均衡模块电路

结论

本文提出一种新颖非隔离开关电感式级联电池组均衡器。该均衡器电路通过简单的电路构造，即可在电池组单体和一个公共电容之间实现能量的无损双向流动，进而藉由在电池单体之间互相遍历，最终即可达到整体状态均衡。控制方式简单，无需电池单体外围传感器和微处理器，极大地降低了成本，具有经济优势。

搭建的验证样机和电池组充电平台均验证了该均衡器的有效性，具有在城市环境下分布式微电网储能系统中应用的实际工程推广价值。