基于電力調頻的串聯鋰離子電池組均衡技術分析

李佳娜 ，劉丹丹, ，朱 峰，謝 晨，侯 洋，陳永翀,

（1中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院，北京 100083；2中國科學院電工研究所，北京 100190；3中國科學院大學，北京 100049；4北京好風光儲能技術有限公司，北京 100085）

近年來，風電、光伏等本身不具備調頻能力的新能源并網比重不斷增加，造成電網調頻容量不足[1-3]。儲能電池具有快速功率響應能力，且儲能電池本身不受電網頻率影響，可以避免電力系統中一次調頻與二次調頻相互沖突及反調的現象，具有很好的調頻效果，使得儲能電池系統在電力系統調頻領域中的應用價值逐步彰顯[4-9]。

儲能電池在調頻領域的應用中成組電壓為400～800 V，鋰離子電池單體的標稱電壓為3.2～4.2 V，因而儲能電站電池串聯數量多達幾百節。隨著電池組使用時間的增加，電池單體之間由工廠生產制造過程中產生的微小差異被不斷放大，從而導致嚴重的電池組不一致性問題[10-11]。此外，儲能電池響應調頻指令時需進行高倍率充放電及頻繁切換充放電狀態，導致電池組的不一致問題進一步加劇，從而使電池組的整體性能惡化[12-13]。一方面導致最大可用容量的減少，示意圖如圖1 所示[14]，另一方面導致電池組使用壽命縮短以及產生電池組爆炸、火災等安全性失控隱患[15-16]。如圖1(b)所示，在充放電過程中，電池組還未達到充放電截止電壓之前，某些容量較小的電池已達到自身充放電截止電壓而發生過充或過放，從而影響電池組性能，進而導致整個電池組失效，這也是目前儲能電站壽命遠不如鋰離子單體電池壽命長的主要原因。

針對上述問題，本文首先對基于電力調頻的串聯鋰離子電池組不一致性問題的形成原因進行分類，再將相應的代表性改善措施進行歸納，并從效果上進行對比分析。之后重點綜述可主動控制電池組不一致性的更為有效的均衡管理技術，并從能量流向的角度和基于均衡的不同目標分別對種類繁多、性能特點各異的均衡結構和均衡策略進行分類梳理以及優劣分析，展望儲能調頻應用下均衡管理技術的發展趨勢。

1 基于電力調頻的電池組不一致性成因及改善方法

圖1 電池組不一致性可用容量分析[14]:（a）電池組一致情形；（b～e）電池組不一致情形；（f）電池荷電狀態描述Fig.1 The analysis of available capacity based on battery cells imbalance[14]

電池組產生不一致性問題的原因是多方面的。通過調研總結，本文認為基于電力調頻的串聯鋰離子電池的不一致性問題的成因可分為四個方面：生產制造工藝、電池老化、使用環境以及使用工況。生產制造工藝是指鋰離子電池在混料攪拌、涂布和輥壓等過程中產生的不可避免的微小差異[17]；電池老化是指串聯鋰離子電池在調頻靜置過程中因自放電率不同及調頻使用時容量衰減率不同導致的電池老化程度不同而產生的差異；使用環境是指串聯鋰離子電池組在密封下導致溫度、濕度等不同而產生差異[18]；使用工況則是指串聯鋰離子電池組在調頻使用過程中不同充放電倍率、充放電截止電壓、充放電狀態頻繁切換等工況下產生的差異。本文從以上四個成因入手將分別對應的可降低不一致性的方法歸納如下。①電池制造工藝和電池分選方面：盡量確?；炝蠑嚢柽^程中的分散均勻性，涂布過程中極片厚度、質量的穩定和均勻性，以及輥壓過程中極片厚度的均勻性[19-20]；在鋰離子電池串聯成組之前，采用靜態電壓法、靜態容量法、內阻匹配法、充放電特性曲線匹配法等電池分選方法篩選性能更為接近的電池用作調頻模組[21]。②非工作狀態電池老化維護管理方面：定期對調頻模組進行老化維護檢測；在斷開調頻使用時，對調頻模組中性能極差的電池單體進行更換或單獨充電；對長期靜置的調頻模組進行小電流充電維護，促使鋰離子電池組自身的均衡和性能恢復[22]。③使用環境管理方面：保證鋰離子電池組在調頻使用中環境溫度、濕度等的一致性。④電池組調頻使用工況管理方面：在輸出功率允許的情況下，盡量使電池組在相對較小的倍率下進行充放電工作；控制調頻電池組SOC 控制在20%～80%范圍內，使電池組在電壓平穩區工作[23-24]；適當降低充電截止電壓，升高放電截止電壓，使調頻電池組避免過充過放；以及采用雙儲能電池系統進行調頻使用的方式，降低儲能系統充放電的頻繁切換程度，提高電池組的一致性[13]。

在以上降低不一致性的方法中，電池制造工藝和電池分選僅提高調頻電池組初始狀態的一致性，電池老化維護管理只針對非工作狀態下調頻模組，而使用環境和使用工況管理也只能減緩電池組在調頻應用過程中不一致性惡化的速度。

因此，在現有的制造工藝水平限制下，主要還應采用更為有效地均衡管理技術對電池組進行主動控制，以提高基于電力調頻的串聯鋰離子電池組在靜置狀態及使用狀態下的不一致性問題。目前鋰離子串聯電池組均衡管理技術主要應用于小容量蓄電池組、電動汽車動力電池及儲能電站等應用場景，針對儲能調頻電池的均衡管理研究還比較少，因此本文針對現有鋰離子串聯電池組均衡管理技術并結合電力調頻的特點，從均衡拓撲結構和均衡策略兩部分對基于電力調頻的鋰離子串聯電池組均衡管理技術的適用性進行綜述分析。

2 均衡拓撲結構

常用的均衡拓撲結構可分為兩種：能量耗散型拓撲和非能量耗散型拓撲[25-27]，如圖2 所示。其中能量耗散型拓撲主要指電阻均衡拓撲結構，即在電池組放電時利用電阻消耗電池電量進行均衡。由于電阻會帶來熱損耗問題，一般均衡電流小、均衡時間長，不適用于兆瓦級大規模儲能調頻電站串聯鋰離子電池組均衡。非能量耗散型拓撲結構主要通過電容、電感、變壓器等儲能元件作為媒介轉移電池間的電量，是大規模儲能調頻電站串聯鋰離子電池組均衡技術的發展趨勢。目前，國內外對非能量耗散型拓撲結構做了大量的研究，下文將從能量的流向角度對非能量耗散型均衡結構進行分類梳理。

2.1 單體間能量轉移型

單體間能量轉移型均衡拓撲結構是指將串聯鋰離子電池組中一節電量高的電池單體通過儲能單元將電量轉移到另一節電量低的電池單體，分為相鄰單體間能量轉移和任意單體間能量轉移兩種形式[28-29]。

通常來講，相鄰單體間能量轉移型均衡拓撲結構存在電池組兩端傳遞路徑長的問題，且電池組中原本不需要進行均衡的電池單體被多次無用充放電，影響電池單體的使用壽命，具有均衡時間長和開關損耗大的缺點，使其在兆瓦級儲能調頻電站串聯鋰離子電池組均衡管理的應用受限。

圖2 均衡拓撲結構分類Fig.2 Classification of conventional cell balancing circuits

任意單體間能量轉移型均衡拓撲結構可有效解決相鄰單體間能量轉移型拓撲能量傳遞路徑長的問題，具有均衡效率高的優點[29]。SHANG 等[30]設計了基于Boost DC-DC 變換器和LC 準諧振變換器的任意單體間能量轉移型拓撲結構，如圖3 所示。此結構通過Boost DC-DC 變換器實現零電壓開關并增大均衡電流以及LC 準諧振變換器實現零電流開關，滿足低成本和小體積的同時還具有低功率損耗的優點，適用于小規模儲能調頻電站均衡管理。采用多個任意單體間能量轉移型拓撲結構進行分層控制可以增加一次均衡過程的電池數量，但成本會大大增加，控制也會更復雜，用于大規模儲能電站串聯鋰離子電池組均衡管理缺乏經濟性。

2.2 單體與電池組間能量轉移型

單體與電池組間能量轉移型均衡拓撲結構在一次均衡過程中可實現一節電池與整個電池組之間的能量傳遞，在大規模儲能調頻電站應用場合具有均衡速度快的優勢。但此類拓撲在均衡過程中由電量最高的單體電池傳遞電量給整個電池組時，電池組中部分電量較高的電池單體原本應該釋放電量卻增加了自身的電量，導致了反向均衡的現象，因此還需逐步改進。單體與電池組間能量轉移型均衡拓撲結構包括三種類型：單體到電池組單向能量轉移型、電池組到單體單向能量轉移型以及單體與電池組雙向能量轉移型。

2.2.1 單體到電池組單向能量轉移型

比較典型的單體到電池組單向能量轉移型均衡拓撲結構如圖4 所示。在每個電池與電池組中其余電池之間應用一個Buck-Boost 均衡模塊，可實現將任意一節電池的電量傳遞到電池組內其余電池中，具有均衡速度快的優點，但使用變換器數量多，不易于軟開關的實現，具有成本太高以及開關損耗大的缺點[31]。李銳華等[32]在圖4 基礎上提出的基于Buck-Boost 的雙層拓撲結構，將電池組分為上下兩個電池組模塊，并添加一個Buck-Boost均衡模塊作為第二層均衡，以實現上下兩個電池模塊之間電量的傳遞，如圖5 所示。雖然新的拓撲結構均衡速度提高了近一倍，但均衡功率小且成本更高，且只能在充電或靜置下進行有效均衡，在放電情況下無法對電量最低的單體進行控制，易發生過放電的危險，更適用于調頻電池組中某一電池單體電量高于組內其余電池且組內其余電池的電量處于一致的情形。

圖3 基于Boost 和LC 準諧振變換器的任意單體間能量轉移型拓撲結構[30]Fig.3 The structure of direct cell-to-cell equalizer based on Boost and Quasi-Resonant LC converter[30]

圖4 基于Buck-Boost 的單體到電池組單向能量轉移型拓撲結構[31]Fig.4 The structure of cell-to-pack equalizer based on Buck-Boost converter[31]

圖5 基于Buck-Boost 的單體到電池組單向能量轉移型雙層拓撲結構[32]Fig.5 The structure of cell-to-pack equalizer with double tier based on Buck-Boost converter[32]

圖6 基于Buck-Boost 變換器的電池組到單體單向能量轉移型拓撲結構[33]Fig.6 The structure of pack-to-cell equalizer based on Buck-Boost converter[33]

2.2.2 電池組到單體單向能量轉移型

電池組到單體單向能量轉移型均衡拓撲結構通過將整個電池組的電量轉移到電量最低的電池單體的方式進行均衡，如圖6 所示[33]。圖7 為SHANG 等[34]提出的基于雙LC 準諧振變換器的結構拓撲，采用LC 準諧振變換器實現軟開關，同時將整個電池組分為兩個電池模塊（B10-B13和B20-B23），可以將整個電池模塊的電量傳遞到另一電池模塊中電量最低的電池單體，具有體積小和均衡電流大的優點，但實現均衡的整體控制比較復雜。另外，此類拓撲在充電過程中無法將電量最高的單體電池的電量進行轉移，易出現過充問題，適合于調頻電池組中某一電池單體電量低于組內其余電池且組內其余電池電量一致的情形。

2.2.3 單體與電池組雙向能量轉移型

單體與電池組雙向能量轉移型結合了電池組到單體和單體與電池組的兩種單向能量轉移型均衡方式，可同時解決過充和過放問題。劉紅銳等[35]提出一種基于Cuk 斬波電路的雙層橋臂的均衡拓撲，如圖8 所示。此拓撲結構能實現單體與電池組雙向能量轉移，且能提供連續的均衡電流，降低均衡器本身對電池組性能帶來的影響，但缺點是硬開關損耗大，影響均衡效率。LI 等[36]提出了基于Buck-Boost 和雙向LC 諧振變換器的均衡拓撲，如圖9 所示。此拓撲結構中Buck-Boost 變換器在Buck 模式下實現電池組電量轉移到電量最低的電池，均衡效率為72.5%，在Boost 模式下實現電量最高電池單體的電量轉移到電池組，均衡效率為93%。此外，Buck-Boost 變換器可實現零電壓開關，雙向LC 諧振變換器實現零電流開關，具有體積小、開關損耗低的優點。在大規模儲能調頻電站應用中，此類均衡拓撲結構可以在電池組進行充放電跟蹤調頻指令過程中快速提高串聯鋰離子電池組的一致性，提高電池組的最大可用容量和使用壽命，但存在反向均衡的缺點。

2.3 電池組間能量轉移型

電池組間能量轉移型均衡拓撲是將部分電量較高的電池的電量傳遞給電池組內電量較低的部分電池，兼具均衡速度快和均衡效率高的優點，是大規模儲能調頻電站均衡管理的未來發展趨勢，目前的主要問題在于開關數量較多，控制方式復雜，相關研究尚處于起步階段。

ZHOU 等[37]采用雙向電感變換器設計了電池組間能量轉移型均衡拓撲結構，如圖10 所示。此拓撲結構用于N節電池單體串聯而成的鋰離子電池組，實現電池組內上部分的n節電池與下部分N-n節電池電量的雙向傳遞，其中0

通過對上述均衡方法的總結分析，本文認為電池組間任意多節電池能量轉移型均衡結構可以在解決反向均衡的問題的同時，兼顧均衡速度，這方面拓撲結構具有重要研究價值，對未來大規模串聯鋰離子電池均衡管理具有重要意義。

圖7 基于雙LC 準諧振變換器的電池組到單體單向能量轉移型拓撲結構[34]Fig.7 The structure of pack-to-cell equalizer based on double Quasi-Resonant LC converter[34]

圖8 基于Cuk 斬波電路的雙層橋臂的單體與電池組雙向能量轉移型均衡拓撲[35]Fig.8 The structure of cell-to-pack-to-cell equalizer with double tier based on Cuk chopper converter[35]

圖9 基于Buck-Boost 和雙向LC 諧振變換器的能量轉移型均衡拓撲[36]Fig.9 The structure of pack-to-cell-to-pack equalizer based on Buck-Boost and bidirectional LC resonant converter[36]

圖10 基于雙向電感變換器的均衡拓撲[37]Fig.10 The structure of cell(s)-to-cell (s) equalizer based on bidirectional inductor converter[37]

圖11 基于LC 矩陣變換器的均衡拓撲[38]Fig.11 The structure of cells-to-cells equalizer based on LC matrix converter[38]

3 均衡策略

串聯鋰離子電池組的不一致性參數包括電壓、容量、SOC、溫度、內阻等，選擇合適的參數作為均衡目標，需要考慮該參數在該應用場景下是否為主要影響參數，且此參數實現均衡時能否避免電池組中單體過充過放，能否有效提高電池組性能壽命以及增加電池組的可用容量。

3.1 以電壓為均衡目標

單體電壓是影響串聯鋰離子電池組整體性能的重要因素之一，以電壓為均衡目標的均衡策略已得到廣泛應用[39-41]。電壓均衡法通過在線采集電壓作為均衡判據，具有易于實現和控制簡單的優點，但電池組電壓易受電池本身參數和工況的影響，出現均衡判斷不穩定的問題，導致均衡對象來回交換，增加均衡器的負擔，可能導致串聯鋰離子電池組的一致性更差[42]。此外，某些電池（如磷酸鐵鋰電池、鈦酸鋰電池）電壓在SOC 為10%～90%區域存在平穩區，即在此區域電壓幾乎不變而電池電量可能相差很大，從而導致均衡目標失效[43]。目前，對于調頻儲能電站，儲能電池組一般初始設置為50% SOC，在20%～80% SOC 之間進行高倍率淺充淺放，以電壓為均衡目標的均衡策略則不適用此場景。

3.2 以容量為均衡目標

采用以容量為均衡目標的均衡策略，可避免以電壓為均衡目標的均衡策略中的過均衡以及電池組可用容量利用率低等問題，實現電池組的容量利用率最大化[44-46]。馬澤宇等[14]針對儲能電站削峰填谷應用場景提出在電池組充電結束后靜置10min進行均衡容量計算，并以此容量差作為下次充電的均衡判據。該方法只需要容量差值和充電電流值即可計算出均衡時間，具有控制簡單的優點，但由于電池組容量只能在靜置條件下獲得，因而以容量為均衡目標的控制策略無法進行在線均衡。這類均衡策略可用于光伏發電側夜間不需要參與調頻的儲能電站，但不適用于電網側無長時間靜置的大規模儲能調頻電站均衡管理。

3.3 以SOC 為均衡目標

SOC 是電壓、容量和內阻等的綜合表征，以SOC 為均衡目標的均衡策略不僅可以避免因均衡判據失效導致的過均衡問題，還可以有效提高容量利用率，且可實現在線均衡，能滿足大規模儲能電站調頻的均衡需求，是目前均衡控制策略的主流。但SOC 的估計需要復雜的電路，工程量較大，且由于電池組不一致性的問題，每節電池進行SOC估計時都需要進行參數識別[47-49]。此外，SOC 的估計精度，也是SOC 均衡法有效均衡的重要指標和技術難點。

3.4 以多個參數為均衡目標

上文討論的均衡策略，只考慮了單一參數的均衡，未考慮電池組的不一致性參數之間復雜的耦合關系。以多個參數作為均衡目標的策略可以同時滿足電池組電壓、SOC 以及溫度等的均衡管理，有效避免均衡目標失效以及反向均衡，是未來儲能調頻電池均衡策略的發展趨勢。LI 等[50]提出以SOC、溫度和容量衰減率作為均衡控制目標的均衡策略，通過對SOC、溫度和容量衰減率按權重形成綜合均衡評價指標，對電池組的均衡電流進行控制。該均衡策略可以有效縮減SOC、溫度以及容量衰減率的極差，但策略的實現需要電流預測、SOC 估計以及容量衰減估計等模塊，控制方式復雜。此外，溫度、SOC、容量衰減率的權重系數確定仍需進一步研究。

4 結 論

本文分別從能量流向和均衡控制目標對現有應用于電動汽車動力電池以及儲能電站等場合的串聯鋰離子電池組不同均衡拓撲及控制策略進行了分類綜述，并結合基于調頻的儲能電池的高倍率淺充淺放以及充放電狀態頻繁切換的特點，對儲能調頻電站電池組均衡的適用性進行了分析。對目前兆瓦級大規模儲能調頻電站串聯鋰離子電池組的均衡技術發展趨勢有如下建議。

（1）目前單體與電池組雙向能量轉移型均衡拓撲結構中均衡效率可達72%～93%，應用最為廣泛，而電池組間相鄰兩節能量轉移型拓撲結構中均衡效率高達75%～99%。在均衡過程中提高一次均衡過程中均衡目標電池的節數和任意均衡目標電池的可選擇性可緩解反向現象，提高均衡效率和均衡速度。在未來尤其是電池組間任意多節電池能量轉移型均衡拓撲結構具有重要研究價值，對兆瓦級大規模儲能調頻電站均衡管理具有重要意義。

（2）在均衡策略方面，由于電池組的參數相互耦合，關系復雜，應與實際應用緊密結合，針對不同的應用場合選擇合適的參數作為均衡一致性評價標準。選擇多個參數作為均衡目標的均衡策略可有效避免均衡目標失效，相比于以單一參數作為均衡目標的均衡策略更為可靠，能更好的適用于電力調頻儲能電池均衡，但其控制過程復雜、技術要求更高，有待進一步研究。

（3） 均衡拓撲結構應盡量減少電氣元件和開關的使用數量，降低成本和控制的復雜度以及減少元器件發生事故的概率，降低均衡拓撲結構本身給儲能電站壽命帶來的影響。 此外，在兆瓦級的儲能調頻電站均衡管理過程中，要求均衡電流大，均衡過程會產生較大的損耗，軟開關可以減少開關損耗，提高均衡效率，避免電磁干擾以及減小體積，是均衡拓撲結構的發展趨勢。但在未來大容量電池的發展下，提高電池本體的一致性才是延長儲能電站使用壽命的首要方向。