一種大規(guī)模鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)分層式并行均衡器

收稿日期：2022-08-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51967009）

通信作者：劉紅銳（1982—），女，博士、副教授，主要從事電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)、動(dòng)力蓄電池能量均衡方面的研究。liuhongr888@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1305 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0091-08

摘 要：針對(duì)大規(guī)模鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)，提出一種分層式并行均衡器。該均衡器采用兩層主動(dòng)均衡：第1層均衡可實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)中所有單體電池同時(shí)進(jìn)行能量均衡，均衡速度快且不受串聯(lián)單體電池?cái)?shù)目的影響；第2層均衡可實(shí)現(xiàn)來(lái)自不同電池組的多個(gè)電池單元的并行均衡充、放電，均衡速度快、效率高。該文對(duì)均衡器工作原理和均衡控制策略進(jìn)行分析，為驗(yàn)證所提均衡方法的有效性，搭建由12個(gè)單體鋰離子電池串聯(lián)組成的電池系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行均衡實(shí)驗(yàn)。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，該均衡拓?fù)涞木馑俣瓤?、均衡效率高、模塊化強(qiáng)、易擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；均衡器；鋰離子電池；分層式并行均衡；模塊化

中圖分類號(hào)：TM912 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的加劇，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，世界各國(guó)都在提倡和大力發(fā)展低能耗、低污染以及低碳化的能源。其中，依賴于蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越多，如火力發(fā)電站儲(chǔ)能系統(tǒng)和大規(guī)模風(fēng)光蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。鋰離子電池以其體積小、自放電率低、充電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域中得到廣泛利用［1］。

由于單體鋰離子電池電壓較低，為滿足火力發(fā)電站儲(chǔ)能系統(tǒng)和大規(guī)模風(fēng)光蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)高電壓的需求，需串聯(lián)多個(gè)單體電池［2］。但串聯(lián)電池組存在單體電池能量不一致問(wèn)題，單體電池的過(guò)充和過(guò)放會(huì)縮短其循環(huán)壽命，串聯(lián)電池組最大可用容量在充電時(shí)受能量最高的單體電池的影響，在放電時(shí)受能量最低的單體電池的影響，充放電次數(shù)的增多會(huì)使電池的能量不一致性愈加明顯［2-4］。因此，在使用電池時(shí)，非常有必要對(duì)電池采取均衡措施。

根據(jù)均衡所用器件，電池均衡可分為兩類：能量耗散型均衡和非能量耗散型均衡［5］。能量耗散型均衡是利用電阻直接消耗串聯(lián)單體電池中多余的能量，該類均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易控，但均衡速度慢，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生電阻散熱管理問(wèn)題。非能量耗散型均衡主要分為電容式均衡［6-10］、電感式均衡［11-17］、LC均衡［18］和變壓器均衡［19-20］，其主要是通過(guò)電容、電感、變壓器等儲(chǔ)能元件進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)單體電池間的能量均衡。與能量耗散型均衡相比，非能量耗散型均衡的能量耗散較小、均衡速度較快，更適用于儲(chǔ)能電站等大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域［9］。

電容均衡［6-10］是基于單體電池間的電壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)能量均衡，實(shí)際中鋰離子單體電池間的電壓差較小，因此電容均衡時(shí)間長(zhǎng)、效率低。電感均衡以非隔離型DC-DC變換器［12-17］為主，傳統(tǒng)的電感式均衡［12］通過(guò)變換器實(shí)現(xiàn)能量在相鄰單體電池間依次轉(zhuǎn)移，存在均衡時(shí)間長(zhǎng)、效率低的問(wèn)題。文獻(xiàn)［13］針對(duì)此問(wèn)題，與開(kāi)關(guān)矩陣結(jié)合實(shí)現(xiàn)了任意單體電池間的能量轉(zhuǎn)移，由于整組電池共用一個(gè)均衡器，因此電池?cái)?shù)量越多，均衡速度越慢；文獻(xiàn)［15］利用Cuk電路與開(kāi)關(guān)矩陣結(jié)合，使得電池均衡速度進(jìn)一步提高，但同樣存在整個(gè)電池組共用一個(gè)均衡模塊的問(wèn)題；文獻(xiàn)［17］提出基于Buck-Boost轉(zhuǎn)換器的兩層均衡電路，均衡速度快，均衡能量轉(zhuǎn)移效率高，但存在模塊化能力弱，不易擴(kuò)展等缺點(diǎn)，且均衡速度受到電池?cái)?shù)量的影響，隨著電池?cái)?shù)量的增加，均衡速度變慢。

針對(duì)現(xiàn)有均衡器模塊化能力弱、無(wú)法同時(shí)兼顧均衡速度和效率的問(wèn)題，本文提出一種基于Buck-Boost和Cuk轉(zhuǎn)換器的分層多目標(biāo)并行主動(dòng)均衡器。該均衡器通過(guò)引入分層和多目標(biāo)并行均衡，兼顧了均衡速度和均衡效率，同時(shí)均衡器易于模塊化，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可應(yīng)用到大規(guī)模串聯(lián)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中。

1 均衡器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理分析

1.1 均衡器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文提出的分層并行主動(dòng)均衡器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由電池系統(tǒng)、第1層均衡和第2層均衡組成。電池系統(tǒng)由[n]個(gè)電池組（BPi）通過(guò)[n-1]個(gè)連接開(kāi)關(guān)VT串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)電池組包含[m]個(gè)串聯(lián)的電池單元（BU），每個(gè)電池單元包含2個(gè)串聯(lián)的單體電池（SC）。第1層均衡電路由[n×m]個(gè)相互獨(dú)立的均衡模塊（[BMij]）構(gòu)成，每個(gè)均衡模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)電池單元。第2層均衡電路由[n×m]個(gè)選通矩陣（Sij）和一個(gè)均衡模塊BM2構(gòu)成，每個(gè)選通矩陣對(duì)應(yīng)一個(gè)電池單元。

1.2 第1層均衡電路工作原理

第1層均衡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)均衡模塊由2個(gè)功率MOSFET和1個(gè)電感構(gòu)成。

第1層均衡在電池組處于靜置狀態(tài)時(shí)進(jìn)行，當(dāng)電池單元內(nèi)部的2個(gè)單體電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）不一致時(shí)，則控制相應(yīng)的均衡模塊工作。如圖2所示，當(dāng)電池單元BM11中的單體電池SC11的SOC較高時(shí)，對(duì)Q11進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）控制，此時(shí)能量由SC11向SC12轉(zhuǎn)移，均衡模塊為典型的Buck-Boost電路且工作于電流連續(xù)模式（continuous conduction mode，CCM）。該均衡電路簡(jiǎn)單、易控，能量回路短，均衡效率高。

第1層能量均衡時(shí)所有的均衡模塊可同時(shí)工作，因此第1層均衡的時(shí)間由均衡時(shí)間最長(zhǎng)的一個(gè)均衡模塊決定。第1層均衡時(shí)間[t1]可用式（1）表達(dá)：

[t1=max{tBM11，tBM12，…，tBM1m;" " " " " " "tBM21，tBM22，…，tBM2m;" " " " " " " " " " " " " " " " "…; tBMn1，tBMn2，…，tBMnm}] （1）

式中：[tBMij]——均衡模塊[BMij]的均衡時(shí)間，h，可由式（2）表達(dá)：

[tBMij=QijIBUij] （2）

式中：[Qij]——電池單元[BUij]中能量高的單體電池放出的安時(shí)電量，Ah；[IBUij]——電池單元[BUij]中能量高的單體電池的均衡電流平均值，A。

以均衡模塊BM11為例，第1層均衡的效率[η1]可用式（3）表達(dá)：

[η1=1-I2L×Ron×ton+uD×IL×toffUSC11×IL×ton] （3）

式中：[IL]——電感[L]的電流平均值，A；[Ron]——[Q11]的導(dǎo)通電阻，Ω；[ton]——[Q11]的導(dǎo)通時(shí)間，s；[uD]——二極管的導(dǎo)通壓降，V；[toff]——[Q11]的關(guān)斷時(shí)間，s；[USC11]——單體電池SC11的電壓，V。

另外，均衡模塊中開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力低，與串聯(lián)單體電池的數(shù)量和串聯(lián)電池總電壓無(wú)關(guān)，因此開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力不會(huì)隨串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量的增加而增大，更易于擴(kuò)展。

1.3 第2層均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理分析

第2層均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，由[n×m]個(gè)選通矩陣（[Sij]）、[n]個(gè)電感（[L1i]）、2個(gè)主控開(kāi)關(guān)（[Q21]和[Q22]，其反并聯(lián)二極管分別為[D21]和[D22]）、電容[C1]、電感[L2]和電壓源[E]構(gòu)成。[n]個(gè)電池組通過(guò)選通矩陣并聯(lián)作為第2層均衡電路的輸入或輸出，而均衡主電路為雙向Cuk電路，因此第2層均衡電路等效為多輸入或多輸出的雙向Cuk電路。

第2層能量均衡在電池靜置狀態(tài)下，以電池單元作為均衡充電或放電目標(biāo)。均衡時(shí)，能量通過(guò)均衡器在電池單元與電壓源[E]之間相互轉(zhuǎn)移。根據(jù)電池組內(nèi)部各電池單元間的能量不一致情況，第2層能量均衡有兩種工作模式：1）多目標(biāo)并行均衡放電工作模式；2）多目標(biāo)并行均衡充電工作模式。

多目標(biāo)并行均衡放電工作模式：通過(guò)選通矩陣選通各電池組中SOC最高的一個(gè)電池單元，然后對(duì)主控開(kāi)關(guān)[Q21]進(jìn)行PWM控制，此時(shí)多個(gè)電池單元并行均衡放電。如圖4所示，[BUimax（i=1，2，…，n）]為第[i]組電池中SOC最高的一個(gè)電池單元，[n]個(gè)電池單元同時(shí)作為均衡放電目標(biāo)。[n]個(gè)均衡目標(biāo)并聯(lián)作為Cuk電路的輸入，因此均衡拓?fù)潆娐返刃槎噍斎隒uk斬波電路，此時(shí)只需對(duì)主控開(kāi)關(guān)Q21進(jìn)行PWM控制，即可實(shí)現(xiàn)[n]個(gè)均衡目標(biāo)并行均衡放電。Q21導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的能量回路如圖4所示。[n]個(gè)均衡目標(biāo)并行放電時(shí)，均衡目標(biāo)的能量越高，相應(yīng)的均衡放電電流就越大。

[n]個(gè)均衡目標(biāo)并行均衡放電模式下，均衡時(shí)間為能量最高的一個(gè)電池單元的均衡放電時(shí)間，該模式下均衡時(shí)間[t2-1]可用式（4）表達(dá)：

[t2-1=max{tBU1max，tBU2max，…，tBUimax，…，tBUnmax}] （4）

式中：[tBUimax]——電池單元BUimax 的均衡放電時(shí)間，h，可由式（5）計(jì)算：

[tBUimax=Q2iI2i] （5）

式中：[Q2i]——電池單元[BUimax]放出的安時(shí)電量，Ah；[I2i]——電池單元BUimax均衡放電時(shí)的電流平均值，A。

第2層均衡電路中涉及的功率MOSFET的導(dǎo)通電阻均為[Ron2]，多目標(biāo)并行均衡放電工作模式的效率[η2-1]可用式（6）表達(dá)：

[η2-1=1-i=1nI2i+IL′2Ron2ton1+uD2i=1n（I2i+IL′）toff1+4i=1nI22iRon2T1i=1nUBUimaxI2iT1] （6）

式中：[IL′]——電感[L2]的平均電流值，A；[ton1]——Q21的導(dǎo)通時(shí)間，s；[uD2]——二極管[D22]的導(dǎo)通壓降，V；[toff1]——Q21的關(guān)斷時(shí)間，s；[T1]——Q21的開(kāi)關(guān)周期，s；[UBUimax]——電池單元[BUimax]的電壓，V。

多目標(biāo)并行均衡充電工作模式：通過(guò)選通矩陣選通各電池組中SOC最低的一個(gè)電池單元，然后對(duì)主控開(kāi)關(guān)Q22進(jìn)行PWM控制，此時(shí)多個(gè)電池單元并行均衡充電。如圖5所示，[BUimin（i=1，2，…，n）]為第[i]組電池中SOC最低的一個(gè)電池單元，[n]個(gè)電池單元同時(shí)作為均衡充電目標(biāo)。[n]個(gè)均衡目標(biāo)并聯(lián)作為Cuk電路的輸出，因此均衡時(shí)拓?fù)潆娐返刃槎噍敵鯟uk斬波電路，此時(shí)只需對(duì)主控開(kāi)關(guān)Q22進(jìn)行PWM控制，即可實(shí)現(xiàn)[n]個(gè)均衡目標(biāo)并行均衡充電。Q22導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的能量回路如圖5所示。[n]個(gè)均衡目標(biāo)并行充電時(shí)，均衡目標(biāo)的能量越高，相應(yīng)的均衡充電電流就越小。

[n]個(gè)均衡目標(biāo)并行均衡充電模式下，均衡時(shí)間為能量最低的一個(gè)電池單元的均衡充電時(shí)間，該模式下均衡時(shí)間t2-2可用式（7）表達(dá)：

[t2-2=max{tBU1min，tBU2min，…，tBUimin，…，tBUnmin}] （7）

式中：[tBUimin]——電池單元BUimin的均衡充電時(shí)間，h，可由式（8）計(jì)算：

[tBUimin=Q2i′I2i′] （8）

式中：[Q2i′]——電池單元BUimin吸收的安時(shí)電量，Ah；[I2i′]——電池單元BUimin均衡充電電流平均值，A。

多目標(biāo)并行均衡充電工作模式的效率[η2-2]可用式（9）表達(dá)：

[η2-2=i=1nUBUiminI2i′T2i=1nUBUiminI2i′T2+i=1nI2i′+IL′2Ron2ton2+uD1i=1nI2i′+IL′toff2+4i=1nI′22iRon2T2] （9）

式中：[UBUimin]——電池單元BUimin的電壓，V；[T2]——Q22的開(kāi)關(guān)周期，s；ton2——Q22的導(dǎo)通時(shí)間，s；[uD1]——二極管D21的導(dǎo)通壓降，V；[toff2]——Q22的關(guān)斷時(shí)間，s。

當(dāng)?shù)?層并行均衡處于上述兩種工作模式時(shí)，第2層均衡時(shí)間[t2]由[t2-1]和[t2-2]共同決定，且可用式（10）表達(dá)：

[t2=t2-1+t2-2] （10）

另外，第2層均衡模塊的開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力與電池組電壓相關(guān)，與電池系統(tǒng)的電壓無(wú)關(guān)，當(dāng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模變化時(shí)，均衡器硬件及參數(shù)保持不變，應(yīng)用于大規(guī)模串聯(lián)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，模塊化更強(qiáng)。

2 均衡策略

在進(jìn)行均衡之前，應(yīng)該先對(duì)各電池的SOC進(jìn)行估算，本實(shí)驗(yàn)采用開(kāi)路電壓法識(shí)別電池系統(tǒng)的SOC。同時(shí)設(shè)定第1層均衡閾值[Δ1=0.5%]和第2層均衡閾值[Δ2=0.3%]。均衡策略分第1層均衡策略和第2層均衡策略。

2.1 第1層均衡策略

第1層均衡計(jì)算流程如下：

1）電池單元[BUij]中兩個(gè)單體電池的SOC值的差值用[δij]來(lái)表示，通過(guò)對(duì)比[δij]和第1層均衡閾值Δ1來(lái)判斷[BUij]是否需進(jìn)行第1層均衡。用[HBUij]篩選出需進(jìn)行第1層均衡的電池單元，則[HBUij]表達(dá)式如式（11）所示：

[HBUij=1，δijgt;Δ10，δij≤Δ1] （11）

式中：[HBUij]——電池單元[BUij]的狀態(tài)，[HBUij=1]表示電池單元[BUij]需進(jìn)行第1層均衡；[HBUij=0]表示電池單元[BUij]無(wú)需進(jìn)行第1層均衡。

2）確定需要均衡的電池單元[BUij]內(nèi)部轉(zhuǎn)移的安時(shí)電量[Qij]及均衡時(shí)間。[BUij]與均衡模塊[BMij]對(duì)應(yīng)，則電池單元的均衡時(shí)間與相應(yīng)的均衡模塊的均衡時(shí)間相同，可通過(guò)式（2）表達(dá)。[Qij]可通過(guò)式（12）表達(dá)：

[Qij=Cδij1+η1] （12）

式中：C——電池的額定容量，Ah；[η1]——第1層均衡電路的效率。

2.2 第2層均衡策略

第2層均衡計(jì)算流程如下：

1）電池單元[BUij]的SOC值與電池系統(tǒng)中串聯(lián)的電池單元的平均SOC值的差值為[εij]。通過(guò)對(duì)比[εij]和第2層均衡閾值Δ2來(lái)判斷電池組[BPi]是否需進(jìn)行第2層均衡，用[HBPi]篩選出需要進(jìn)行第2層均衡的電池組，[HBPi]表達(dá)式如式（13）所示：

[HBPi=1，|εij|gt;Δ20，εij∈（-Δ2，Δ2）] （13）

式中：[HBPi]——電池組[BPi]的狀態(tài)，[HBPi=1]表示電池組[BPi]中有電池單元需進(jìn)行第2層均衡；[HBPi=0]表示電池組中無(wú)電池單元需要均衡，即電池組無(wú)需進(jìn)行第2層均衡。

2）執(zhí)行多目標(biāo)并行均衡放電工作模式

在進(jìn)行第2層能量均衡時(shí)，先進(jìn)行多目標(biāo)并行均衡放電工作模式，首先確定需要均衡放電的電池單元[BUij]放出的安時(shí)電量[Q2i]和均衡時(shí)間，其均衡時(shí)間可通過(guò)式（5）計(jì)算，[Q2i]的表達(dá)式如式（14）所示：

[Q2i=Cεij] （14）

3）執(zhí)行多目標(biāo)并行均衡充電工作模式

待完成多目標(biāo)并行均衡放電工作模式后，再進(jìn)行多目標(biāo)并行均衡充電工作模式，首先確定需要均衡充電的電池單元BUij吸收的安時(shí)電量[Q2i′]和均衡時(shí)間，其均衡時(shí)間可通過(guò)式（8）計(jì)算，[Q2i′]的表達(dá)式如式（15）所示：

[Q2i′=Cεij] （15）

3 均衡實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

均衡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示，電池系統(tǒng)包含12個(gè)磷酸鐵鋰電池，其中4個(gè)串聯(lián)電池組成1個(gè)電池組，即電池系統(tǒng)包含3個(gè)電池組。每個(gè)電池組有2個(gè)電池單元，每個(gè)電池單元包含2個(gè)單體電池。實(shí)驗(yàn)電路主要參數(shù)如表1所示。

3.2 第1層均衡實(shí)驗(yàn)及分析

在電池靜置狀態(tài)下進(jìn)行第1層能量均衡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中12個(gè)單體電池的SOC值變化曲線如圖7所示，第1層均衡總時(shí)間為[t1=39.1] min。

從圖7可看出，第1層均衡過(guò)程中，6個(gè)電池單元對(duì)應(yīng)的6個(gè)均衡模塊同時(shí)工作，均衡時(shí)間由均衡時(shí)間最長(zhǎng)的一個(gè)均衡模塊決定。第1層均衡實(shí)驗(yàn)中，各單體電池初始SOC值、末時(shí)SOC值和各均衡模塊的均衡時(shí)間如表2所示。

為計(jì)算第1層均衡模塊的均衡效率，實(shí)驗(yàn)中截取均衡模塊BM11工作時(shí)，單體電池SC11向SC12進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移時(shí)的電流波形，如圖8所示，SC11的電流為1.35 A，SC12的電流為1.02 A，Q11的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q11-PWM的導(dǎo)通占空比為[D=61.2%]。

第1層實(shí)驗(yàn)均衡效率為：

[η1=1-1.192×0.008×0.612+0.5×1.19×0.3883.2×1.19×0.612×100%" " =89.8%] （16）

3.3 第2層均衡實(shí)驗(yàn)及分析

電池靜置狀態(tài)下進(jìn)行第2層均衡實(shí)驗(yàn)，首先電池單元BU11、BU22、BU32并行均衡放電，均衡時(shí)間為166.3 min；接著電池單元BU12、BU21、BU31進(jìn)行并行均衡充電，均衡時(shí)間為

136 min。第2層均衡的總時(shí)間[t2=166.3+136=302.3 min。]實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各單體電池的SOC變化曲線如圖9所示。

第2層均衡實(shí)驗(yàn)中，各電池單元的初始SOC值、末時(shí)SOC值及均衡時(shí)間如表3所示。

為計(jì)算第2層并行均衡放電工作模式下的均衡效率，實(shí)驗(yàn)中截取了并行均衡放電的電池單元BU11和BU22的電流波形及Q21的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，如圖10所示。圖10中，BU11的電流為1.24 A，BU22的電流為1.01 A，Q21的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q21-PWM的導(dǎo)通占空比為D=57.1%。以電池單元BU11和BU22并行放電為例，根據(jù)圖10及相關(guān)參數(shù)，利用式（6）計(jì)算出第2層均衡中多目標(biāo)并行均衡放電的均衡效率為[η2-1≈93.63%]。

為計(jì)算第2層并行均衡充電工作模式下的均衡效率，實(shí)驗(yàn)中截取了并行均衡充電的電池單元BU12和BU31的電流波形及Q22的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，如圖11所示。圖11中，BU12的電流為1.21 A，BU31的電流為1.58 A，Q22的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q22-PWM的導(dǎo)通占空比為[D=57.1%]。以電池單元BU12和BU31并行均衡充電為例，利用式（9）計(jì)算出第2層均衡中多目標(biāo)并行均衡充電的均衡效率為[η2-2≈93.50%]。

經(jīng)過(guò)1、2層均衡后，各單體電池SOC差異最大由30.4%減小到0.3%，實(shí)現(xiàn)了電池之間的能量均衡。第1層均衡和第2層均衡均實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)并行均衡，均衡速度快，均衡效率高。

3.4 均衡方法比較

為證明所提的分層式并行均衡器的優(yōu)勢(shì)，表4列出了參考文獻(xiàn)的幾種均衡器，并在器件數(shù)目和均衡器性能方面進(jìn)行了對(duì)比。表4中電容均衡速度受單體電池之間壓差的影響較大；耦合電感均衡會(huì)產(chǎn)生大量熱量，電路損耗相對(duì)較高，均衡效果一般；Buck-Boost均衡隨著電池?cái)?shù)量的增加，均衡路徑越長(zhǎng)，效率越低，且隨著電池?cái)?shù)量的增加，均衡速度變慢；多繞組變壓器均衡雖然均衡效率較高，但電路中變壓器數(shù)量較多，開(kāi)關(guān)管控制復(fù)雜，擴(kuò)展性較差；分層均衡采用Buck-Boost與反激變壓器相結(jié)合均衡的方式，由于第1層均衡采用了能量相鄰轉(zhuǎn)移的方式，均衡速度和均衡效率會(huì)越來(lái)越低。本文所提出的均衡器，第1層均衡以單體電池為均衡目標(biāo)，所有均衡模塊可同時(shí)并行工作，且擺脫了串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量的影響，更易于均衡器模塊化。第2層均衡可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)并行均衡，且均衡能量連續(xù)，使得均衡速度加倍提升，均衡效率達(dá)到93%。由表4可看到，所提方法通過(guò)分層策略和并行均衡的思想，對(duì)少量開(kāi)關(guān)管進(jìn)行PWM控制，實(shí)現(xiàn)了均衡器的高度模塊化，擴(kuò)展性更強(qiáng)，電池組整體均衡速度相對(duì)更高。因此，本文所提出的分層式并行均衡器，其均衡速度快，均衡效率高，且擴(kuò)展性強(qiáng)，更適用于大規(guī)模蓄電池系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

本文基于Buck-Boost和Cuk 斬波電路，提出一種適用于大規(guī)模鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)分層式并行均衡器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了所提均衡器的可行性及有效性，且通過(guò)與目前常用電池均衡器的比較，驗(yàn)證了該方法的優(yōu)越性。該均衡器避免了 Buck-Boost和Cuk斬波電路在相鄰單體間均衡能量轉(zhuǎn)移路徑復(fù)雜、均衡速度緩慢的缺點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)并行均衡，本文所提均衡器有以下特點(diǎn)：

1）均衡速度快。第1層均衡采用互相獨(dú)立的Buck-Boost電路作為均衡模塊，電路簡(jiǎn)單、易控，以單體電池為均衡目標(biāo)，

表4 幾種均衡器器件數(shù)目和性能對(duì)比

Table 4 Comparison of number of devices and performance of several equalizers

[均衡器 器件數(shù)目 均衡器性能 開(kāi)關(guān) 二極管 電感 電容 變壓器 成本 控制 速度 效率 擴(kuò)展性 電容均衡[8] 2n 0 0 n 0 低 簡(jiǎn)單 慢 未知 強(qiáng) 耦合電感均衡[14] 2n+2 0 2n 0 0 高 復(fù)雜 中等 gt;88% 中等 Buck-Boost均衡[16] 3n+1 2 1 0 0 低 簡(jiǎn)單 中等 87.9% 弱 多繞組變壓器均衡[19] n n n n n 高 復(fù)雜 中等 93% 弱 分層均衡[20] n+n/3 n-1 n-1 0 n/3 高 復(fù)雜 快 89.7% 強(qiáng) 本文所提均衡器 3n+2 0 n/2+2 1 0 低 簡(jiǎn)單 快 gt;89.8% 強(qiáng) ]

其均衡目標(biāo)的數(shù)量與串聯(lián)單體電池的數(shù)量相等，均衡速度快，且擺脫了串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量的影響。第2層均衡基于多輸入或多輸出的雙向Cuk電路，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)并行均衡，并行均衡目標(biāo)的數(shù)量越大，均衡速度越快。

2）均衡效率高。本文第2層均衡以電池單元為均衡目標(biāo)，均衡能量路徑中均衡目標(biāo)的電壓加倍，從本質(zhì)上提高了均衡效率，實(shí)驗(yàn)中均衡效率達(dá)到93%。第1層均衡中，由于能量回路中含有二極管的管壓降，因此實(shí)驗(yàn)中較低，為89.8%，如果采用帶死區(qū)互補(bǔ)的PWM控制，可將第1層的均衡效率提高到95%以上。

3）均衡器擴(kuò)展性強(qiáng)。適用于大規(guī)模串聯(lián)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，當(dāng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模變化時(shí)，只需增減均衡模塊的數(shù)量，均衡器硬件及參數(shù)保持不變。

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HIERARCHICAL PARALLEL EQUALIZER FOR LARGE-SCALE CHAIN BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM

Liu Hongrui，Zhang Bin，Liu Wei，Lin Ziheng

（Faculty of Electric Power Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract：A hierarchical parallel equalizer is proposed for large-scale chain battery energy storage systems. The equalizer adopts two layers of active balance， the first layer balance and the second layer balance. The first layer balance enables all batteries in the battery system to be balanced simultaneously， its balancing speed is fast and not affected by the number of single batteries in series. The second layer balance enables the parallel balance charging and discharging of multiple battery units from different battery packs， with fast balance speed and high efficiency. In order to verify the effectiveness of the proposed balance method， the working principle of the equalizer and the balancing control strategy is analyzed in this paper， and a battery system consisting of 12 single lithium-ion batteries connected in series is set up for balancing experiments. Both theoretical and experimental results show that the balance topology has fast balance speed， high balance efficiency， strong modularization and easy expansion.

Keywords：battery energy storage system； equalizers； lithium-ion batteries； hierarchical parallel balancing； modularization