基于电力调频的串联锂离子电池组均衡技术分析

李佳娜 ，刘丹丹, ，朱 峰，谢 晨，侯 洋，陈永翀,

（1中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京 100083；2中国科学院电工研究所，北京 100190；3中国科学院大学，北京 100049；4北京好风光储能技术有限公司，北京 100085）

近年来，风电、光伏等本身不具备调频能力的新能源并网比重不断增加，造成电网调频容量不足[1-3]。储能电池具有快速功率响应能力，且储能电池本身不受电网频率影响，可以避免电力系统中一次调频与二次调频相互冲突及反调的现象，具有很好的调频效果，使得储能电池系统在电力系统调频领域中的应用价值逐步彰显[4-9]。

储能电池在调频领域的应用中成组电压为400～800 V，锂离子电池单体的标称电压为3.2～4.2 V，因而储能电站电池串联数量多达几百节。随着电池组使用时间的增加，电池单体之间由工厂生产制造过程中产生的微小差异被不断放大，从而导致严重的电池组不一致性问题[10-11]。此外，储能电池响应调频指令时需进行高倍率充放电及频繁切换充放电状态，导致电池组的不一致问题进一步加剧，从而使电池组的整体性能恶化[12-13]。一方面导致最大可用容量的减少，示意图如图1 所示[14]，另一方面导致电池组使用寿命缩短以及产生电池组爆炸、火灾等安全性失控隐患[15-16]。如图1(b)所示，在充放电过程中，电池组还未达到充放电截止电压之前，某些容量较小的电池已达到自身充放电截止电压而发生过充或过放，从而影响电池组性能，进而导致整个电池组失效，这也是目前储能电站寿命远不如锂离子单体电池寿命长的主要原因。

针对上述问题，本文首先对基于电力调频的串联锂离子电池组不一致性问题的形成原因进行分类，再将相应的代表性改善措施进行归纳，并从效果上进行对比分析。之后重点综述可主动控制电池组不一致性的更为有效的均衡管理技术，并从能量流向的角度和基于均衡的不同目标分别对种类繁多、性能特点各异的均衡结构和均衡策略进行分类梳理以及优劣分析，展望储能调频应用下均衡管理技术的发展趋势。

1 基于电力调频的电池组不一致性成因及改善方法

图1 电池组不一致性可用容量分析[14]:（a）电池组一致情形；（b～e）电池组不一致情形；（f）电池荷电状态描述Fig.1 The analysis of available capacity based on battery cells imbalance[14]

电池组产生不一致性问题的原因是多方面的。通过调研总结，本文认为基于电力调频的串联锂离子电池的不一致性问题的成因可分为四个方面：生产制造工艺、电池老化、使用环境以及使用工况。生产制造工艺是指锂离子电池在混料搅拌、涂布和辊压等过程中产生的不可避免的微小差异[17]；电池老化是指串联锂离子电池在调频静置过程中因自放电率不同及调频使用时容量衰减率不同导致的电池老化程度不同而产生的差异；使用环境是指串联锂离子电池组在密封下导致温度、湿度等不同而产生差异[18]；使用工况则是指串联锂离子电池组在调频使用过程中不同充放电倍率、充放电截止电压、充放电状态频繁切换等工况下产生的差异。本文从以上四个成因入手将分别对应的可降低不一致性的方法归纳如下。①电池制造工艺和电池分选方面：尽量确保混料搅拌过程中的分散均匀性，涂布过程中极片厚度、质量的稳定和均匀性，以及辊压过程中极片厚度的均匀性[19-20]；在锂离子电池串联成组之前，采用静态电压法、静态容量法、内阻匹配法、充放电特性曲线匹配法等电池分选方法筛选性能更为接近的电池用作调频模组[21]。②非工作状态电池老化维护管理方面：定期对调频模组进行老化维护检测；在断开调频使用时，对调频模组中性能极差的电池单体进行更换或单独充电；对长期静置的调频模组进行小电流充电维护，促使锂离子电池组自身的均衡和性能恢复[22]。③使用环境管理方面：保证锂离子电池组在调频使用中环境温度、湿度等的一致性。④电池组调频使用工况管理方面：在输出功率允许的情况下，尽量使电池组在相对较小的倍率下进行充放电工作；控制调频电池组SOC 控制在20%～80%范围内，使电池组在电压平稳区工作[23-24]；适当降低充电截止电压，升高放电截止电压，使调频电池组避免过充过放；以及采用双储能电池系统进行调频使用的方式，降低储能系统充放电的频繁切换程度，提高电池组的一致性[13]。

在以上降低不一致性的方法中，电池制造工艺和电池分选仅提高调频电池组初始状态的一致性，电池老化维护管理只针对非工作状态下调频模组，而使用环境和使用工况管理也只能减缓电池组在调频应用过程中不一致性恶化的速度。

因此，在现有的制造工艺水平限制下，主要还应采用更为有效地均衡管理技术对电池组进行主动控制，以提高基于电力调频的串联锂离子电池组在静置状态及使用状态下的不一致性问题。目前锂离子串联电池组均衡管理技术主要应用于小容量蓄电池组、电动汽车动力电池及储能电站等应用场景，针对储能调频电池的均衡管理研究还比较少，因此本文针对现有锂离子串联电池组均衡管理技术并结合电力调频的特点，从均衡拓扑结构和均衡策略两部分对基于电力调频的锂离子串联电池组均衡管理技术的适用性进行综述分析。

2 均衡拓扑结构

常用的均衡拓扑结构可分为两种：能量耗散型拓扑和非能量耗散型拓扑[25-27]，如图2 所示。其中能量耗散型拓扑主要指电阻均衡拓扑结构，即在电池组放电时利用电阻消耗电池电量进行均衡。由于电阻会带来热损耗问题，一般均衡电流小、均衡时间长，不适用于兆瓦级大规模储能调频电站串联锂离子电池组均衡。非能量耗散型拓扑结构主要通过电容、电感、变压器等储能元件作为媒介转移电池间的电量，是大规模储能调频电站串联锂离子电池组均衡技术的发展趋势。目前，国内外对非能量耗散型拓扑结构做了大量的研究，下文将从能量的流向角度对非能量耗散型均衡结构进行分类梳理。

2.1 单体间能量转移型

单体间能量转移型均衡拓扑结构是指将串联锂离子电池组中一节电量高的电池单体通过储能单元将电量转移到另一节电量低的电池单体，分为相邻单体间能量转移和任意单体间能量转移两种形式[28-29]。

通常来讲，相邻单体间能量转移型均衡拓扑结构存在电池组两端传递路径长的问题，且电池组中原本不需要进行均衡的电池单体被多次无用充放电，影响电池单体的使用寿命，具有均衡时间长和开关损耗大的缺点，使其在兆瓦级储能调频电站串联锂离子电池组均衡管理的应用受限。

图2 均衡拓扑结构分类Fig.2 Classification of conventional cell balancing circuits

任意单体间能量转移型均衡拓扑结构可有效解决相邻单体间能量转移型拓扑能量传递路径长的问题，具有均衡效率高的优点[29]。SHANG 等[30]设计了基于Boost DC-DC 变换器和LC 准谐振变换器的任意单体间能量转移型拓扑结构，如图3 所示。此结构通过Boost DC-DC 变换器实现零电压开关并增大均衡电流以及LC 准谐振变换器实现零电流开关，满足低成本和小体积的同时还具有低功率损耗的优点，适用于小规模储能调频电站均衡管理。采用多个任意单体间能量转移型拓扑结构进行分层控制可以增加一次均衡过程的电池数量，但成本会大大增加，控制也会更复杂，用于大规模储能电站串联锂离子电池组均衡管理缺乏经济性。

2.2 单体与电池组间能量转移型

单体与电池组间能量转移型均衡拓扑结构在一次均衡过程中可实现一节电池与整个电池组之间的能量传递，在大规模储能调频电站应用场合具有均衡速度快的优势。但此类拓扑在均衡过程中由电量最高的单体电池传递电量给整个电池组时，电池组中部分电量较高的电池单体原本应该释放电量却增加了自身的电量，导致了反向均衡的现象，因此还需逐步改进。单体与电池组间能量转移型均衡拓扑结构包括三种类型：单体到电池组单向能量转移型、电池组到单体单向能量转移型以及单体与电池组双向能量转移型。

2.2.1 单体到电池组单向能量转移型

比较典型的单体到电池组单向能量转移型均衡拓扑结构如图4 所示。在每个电池与电池组中其余电池之间应用一个Buck-Boost 均衡模块，可实现将任意一节电池的电量传递到电池组内其余电池中，具有均衡速度快的优点，但使用变换器数量多，不易于软开关的实现，具有成本太高以及开关损耗大的缺点[31]。李锐华等[32]在图4 基础上提出的基于Buck-Boost 的双层拓扑结构，将电池组分为上下两个电池组模块，并添加一个Buck-Boost均衡模块作为第二层均衡，以实现上下两个电池模块之间电量的传递，如图5 所示。虽然新的拓扑结构均衡速度提高了近一倍，但均衡功率小且成本更高，且只能在充电或静置下进行有效均衡，在放电情况下无法对电量最低的单体进行控制，易发生过放电的危险，更适用于调频电池组中某一电池单体电量高于组内其余电池且组内其余电池的电量处于一致的情形。

图3 基于Boost 和LC 准谐振变换器的任意单体间能量转移型拓扑结构[30]Fig.3 The structure of direct cell-to-cell equalizer based on Boost and Quasi-Resonant LC converter[30]

图4 基于Buck-Boost 的单体到电池组单向能量转移型拓扑结构[31]Fig.4 The structure of cell-to-pack equalizer based on Buck-Boost converter[31]

图5 基于Buck-Boost 的单体到电池组单向能量转移型双层拓扑结构[32]Fig.5 The structure of cell-to-pack equalizer with double tier based on Buck-Boost converter[32]

图6 基于Buck-Boost 变换器的电池组到单体单向能量转移型拓扑结构[33]Fig.6 The structure of pack-to-cell equalizer based on Buck-Boost converter[33]

2.2.2 电池组到单体单向能量转移型

电池组到单体单向能量转移型均衡拓扑结构通过将整个电池组的电量转移到电量最低的电池单体的方式进行均衡，如图6 所示[33]。图7 为SHANG 等[34]提出的基于双LC 准谐振变换器的结构拓扑，采用LC 准谐振变换器实现软开关，同时将整个电池组分为两个电池模块（B10-B13和B20-B23），可以将整个电池模块的电量传递到另一电池模块中电量最低的电池单体，具有体积小和均衡电流大的优点，但实现均衡的整体控制比较复杂。另外，此类拓扑在充电过程中无法将电量最高的单体电池的电量进行转移，易出现过充问题，适合于调频电池组中某一电池单体电量低于组内其余电池且组内其余电池电量一致的情形。

2.2.3 单体与电池组双向能量转移型

单体与电池组双向能量转移型结合了电池组到单体和单体与电池组的两种单向能量转移型均衡方式，可同时解决过充和过放问题。刘红锐等[35]提出一种基于Cuk 斩波电路的双层桥臂的均衡拓扑，如图8 所示。此拓扑结构能实现单体与电池组双向能量转移，且能提供连续的均衡电流，降低均衡器本身对电池组性能带来的影响，但缺点是硬开关损耗大，影响均衡效率。LI 等[36]提出了基于Buck-Boost 和双向LC 谐振变换器的均衡拓扑，如图9 所示。此拓扑结构中Buck-Boost 变换器在Buck 模式下实现电池组电量转移到电量最低的电池，均衡效率为72.5%，在Boost 模式下实现电量最高电池单体的电量转移到电池组，均衡效率为93%。此外，Buck-Boost 变换器可实现零电压开关，双向LC 谐振变换器实现零电流开关，具有体积小、开关损耗低的优点。在大规模储能调频电站应用中，此类均衡拓扑结构可以在电池组进行充放电跟踪调频指令过程中快速提高串联锂离子电池组的一致性，提高电池组的最大可用容量和使用寿命，但存在反向均衡的缺点。

2.3 电池组间能量转移型

电池组间能量转移型均衡拓扑是将部分电量较高的电池的电量传递给电池组内电量较低的部分电池，兼具均衡速度快和均衡效率高的优点，是大规模储能调频电站均衡管理的未来发展趋势，目前的主要问题在于开关数量较多，控制方式复杂，相关研究尚处于起步阶段。

ZHOU 等[37]采用双向电感变换器设计了电池组间能量转移型均衡拓扑结构，如图10 所示。此拓扑结构用于N节电池单体串联而成的锂离子电池组，实现电池组内上部分的n节电池与下部分N-n节电池电量的双向传递，其中0

通过对上述均衡方法的总结分析，本文认为电池组间任意多节电池能量转移型均衡结构可以在解决反向均衡的问题的同时，兼顾均衡速度，这方面拓扑结构具有重要研究价值，对未来大规模串联锂离子电池均衡管理具有重要意义。

图7 基于双LC 准谐振变换器的电池组到单体单向能量转移型拓扑结构[34]Fig.7 The structure of pack-to-cell equalizer based on double Quasi-Resonant LC converter[34]

图8 基于Cuk 斩波电路的双层桥臂的单体与电池组双向能量转移型均衡拓扑[35]Fig.8 The structure of cell-to-pack-to-cell equalizer with double tier based on Cuk chopper converter[35]

图9 基于Buck-Boost 和双向LC 谐振变换器的能量转移型均衡拓扑[36]Fig.9 The structure of pack-to-cell-to-pack equalizer based on Buck-Boost and bidirectional LC resonant converter[36]

图10 基于双向电感变换器的均衡拓扑[37]Fig.10 The structure of cell(s)-to-cell (s) equalizer based on bidirectional inductor converter[37]

图11 基于LC 矩阵变换器的均衡拓扑[38]Fig.11 The structure of cells-to-cells equalizer based on LC matrix converter[38]

3 均衡策略

串联锂离子电池组的不一致性参数包括电压、容量、SOC、温度、内阻等，选择合适的参数作为均衡目标，需要考虑该参数在该应用场景下是否为主要影响参数，且此参数实现均衡时能否避免电池组中单体过充过放，能否有效提高电池组性能寿命以及增加电池组的可用容量。

3.1 以电压为均衡目标

单体电压是影响串联锂离子电池组整体性能的重要因素之一，以电压为均衡目标的均衡策略已得到广泛应用[39-41]。电压均衡法通过在线采集电压作为均衡判据，具有易于实现和控制简单的优点，但电池组电压易受电池本身参数和工况的影响，出现均衡判断不稳定的问题，导致均衡对象来回交换，增加均衡器的负担，可能导致串联锂离子电池组的一致性更差[42]。此外，某些电池（如磷酸铁锂电池、钛酸锂电池）电压在SOC 为10%～90%区域存在平稳区，即在此区域电压几乎不变而电池电量可能相差很大，从而导致均衡目标失效[43]。目前，对于调频储能电站，储能电池组一般初始设置为50% SOC，在20%～80% SOC 之间进行高倍率浅充浅放，以电压为均衡目标的均衡策略则不适用此场景。

3.2 以容量为均衡目标

采用以容量为均衡目标的均衡策略，可避免以电压为均衡目标的均衡策略中的过均衡以及电池组可用容量利用率低等问题，实现电池组的容量利用率最大化[44-46]。马泽宇等[14]针对储能电站削峰填谷应用场景提出在电池组充电结束后静置10min进行均衡容量计算，并以此容量差作为下次充电的均衡判据。该方法只需要容量差值和充电电流值即可计算出均衡时间，具有控制简单的优点，但由于电池组容量只能在静置条件下获得，因而以容量为均衡目标的控制策略无法进行在线均衡。这类均衡策略可用于光伏发电侧夜间不需要参与调频的储能电站，但不适用于电网侧无长时间静置的大规模储能调频电站均衡管理。

3.3 以SOC 为均衡目标

SOC 是电压、容量和内阻等的综合表征，以SOC 为均衡目标的均衡策略不仅可以避免因均衡判据失效导致的过均衡问题，还可以有效提高容量利用率，且可实现在线均衡，能满足大规模储能电站调频的均衡需求，是目前均衡控制策略的主流。但SOC 的估计需要复杂的电路，工程量较大，且由于电池组不一致性的问题，每节电池进行SOC估计时都需要进行参数识别[47-49]。此外，SOC 的估计精度，也是SOC 均衡法有效均衡的重要指标和技术难点。

3.4 以多个参数为均衡目标

上文讨论的均衡策略，只考虑了单一参数的均衡，未考虑电池组的不一致性参数之间复杂的耦合关系。以多个参数作为均衡目标的策略可以同时满足电池组电压、SOC 以及温度等的均衡管理，有效避免均衡目标失效以及反向均衡，是未来储能调频电池均衡策略的发展趋势。LI 等[50]提出以SOC、温度和容量衰减率作为均衡控制目标的均衡策略，通过对SOC、温度和容量衰减率按权重形成综合均衡评价指标，对电池组的均衡电流进行控制。该均衡策略可以有效缩减SOC、温度以及容量衰减率的极差，但策略的实现需要电流预测、SOC 估计以及容量衰减估计等模块，控制方式复杂。此外，温度、SOC、容量衰减率的权重系数确定仍需进一步研究。

4 结 论

本文分别从能量流向和均衡控制目标对现有应用于电动汽车动力电池以及储能电站等场合的串联锂离子电池组不同均衡拓扑及控制策略进行了分类综述，并结合基于调频的储能电池的高倍率浅充浅放以及充放电状态频繁切换的特点，对储能调频电站电池组均衡的适用性进行了分析。对目前兆瓦级大规模储能调频电站串联锂离子电池组的均衡技术发展趋势有如下建议。

（1）目前单体与电池组双向能量转移型均衡拓扑结构中均衡效率可达72%～93%，应用最为广泛，而电池组间相邻两节能量转移型拓扑结构中均衡效率高达75%～99%。在均衡过程中提高一次均衡过程中均衡目标电池的节数和任意均衡目标电池的可选择性可缓解反向现象，提高均衡效率和均衡速度。在未来尤其是电池组间任意多节电池能量转移型均衡拓扑结构具有重要研究价值，对兆瓦级大规模储能调频电站均衡管理具有重要意义。

（2）在均衡策略方面，由于电池组的参数相互耦合，关系复杂，应与实际应用紧密结合，针对不同的应用场合选择合适的参数作为均衡一致性评价标准。选择多个参数作为均衡目标的均衡策略可有效避免均衡目标失效，相比于以单一参数作为均衡目标的均衡策略更为可靠，能更好的适用于电力调频储能电池均衡，但其控制过程复杂、技术要求更高，有待进一步研究。

（3） 均衡拓扑结构应尽量减少电气元件和开关的使用数量，降低成本和控制的复杂度以及减少元器件发生事故的概率，降低均衡拓扑结构本身给储能电站寿命带来的影响。 此外，在兆瓦级的储能调频电站均衡管理过程中，要求均衡电流大，均衡过程会产生较大的损耗，软开关可以减少开关损耗，提高均衡效率，避免电磁干扰以及减小体积，是均衡拓扑结构的发展趋势。但在未来大容量电池的发展下，提高电池本体的一致性才是延长储能电站使用寿命的首要方向。