級聯(lián)式電池組均衡模塊電路

研究人員指出城市環(huán)境的特點決定了分布式城市微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)要一種電路和控制方式均較為簡單的電池均衡器。

針對這一應用條件特點提出了一種新穎的級聯(lián)式電池組均衡器，該均衡器通過由開關管和均衡電感組成的簡單均衡電路模塊，即可和一個公共均衡電容相連，實現(xiàn)能量的無縫雙向流動。同時均衡控制策略簡單可靠，舍棄了傳統(tǒng)方式中電池組單體的傳感器外圍電路和實現(xiàn)復雜算法的微處理器，極大地減小了體積并降低成本。

在詳細描述了工作原理和參數(shù)分析后，搭建的驗證樣機和電池組充電平臺均有效驗證了所提均衡器的正確性和有效性，因而具有實際工程應用推廣價值。

作為清潔能源技術在智慧城市中的重要組成應用，分布式微電網(wǎng)的建設和發(fā)展一直是國內(nèi)外研究的重要課題，并在我國已經(jīng)列入了“十三五”規(guī)劃。其中，儲能系統(tǒng)又是微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展中的重點，特別是作為儲能系統(tǒng)基本單元的串聯(lián)電池組的性能優(yōu)劣，直接決定了整體系統(tǒng)的可靠性和安全性，堪稱是新能源技術能否有效普及的關鍵因素。

儲能系統(tǒng)電池組性能提升的瓶頸在于：通過各種均衡電路和控制手段，在充放電過程中盡量消除因各電池單體之間性能差異，從而發(fā)揮儲能系統(tǒng)最大用容量和整體裝置可用率。同時城市環(huán)境下的狹小空間和高密度分布的特點，又對儲能系統(tǒng)提出了簡單高效體積小的要求。

近年來，屬于節(jié)能環(huán)保的有源平衡型電池組均衡器取得了長足發(fā)展。根據(jù)均衡電路所采用的原理不同，有源平衡型均衡器可分為開關電容/電感型和DC-DC變流器型兩種形式。一般而言，采用能量雙向流動的DC-DC變流器或反激式變流器，配合電池的荷電狀態(tài)(StateOfCharge，SOC)檢測，可有效地將能量由電池組中端電壓或SOC最高的單體電池向最低的單體電池轉移，以達到均衡。

但要準確而可靠地獲得電池的SOC，需附加一系列電池單體傳感器外圍電路和高性能微處理器，從而新增了系統(tǒng)復雜度和整體裝置體積成本，且受限于城市空間的實際使用特點，該技術不利于大面積推廣。

并且電池組的SOC估計又與均衡控制策略密切相關，不同的均衡控制策略導致不同的單體最終狀態(tài)特性，反過來又直接影響電池組SOC的估計。另外，DC-DC變流器的使用也新增了系統(tǒng)額外效率損耗，影響熱設計和功率密度的提升。

本文提出了一種新穎的非隔離開關電感式級聯(lián)電池組均衡器。該均衡器利用簡單的開關管和電感的組合，即可實現(xiàn)能量的雙向流動，而無需復雜的雙向變流器輔助。同時，采用的自均衡控制策略可自動平衡每一個電池單體的電壓，無需采集電池單體參數(shù)信息，舍棄了實現(xiàn)復雜控制算法的微處理器和外圍傳感器電路。因而該簡單低成本的均衡器非常適合應用于在城市環(huán)境下的分布式微電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)中。

在給出原理分析的參數(shù)設計后，一臺實際樣機證明該均衡器和自主均衡策略的有效性。

結論

本文提出一種新穎非隔離開關電感式級聯(lián)電池組均衡器。該均衡器電路通過簡單的電路構造，即可在電池組單體和一個公共電容之間實現(xiàn)能量的無損雙向流動，進而藉由在電池單體之間互相遍歷，最終即可達到整體狀態(tài)均衡。控制方式簡單，無需電池單體外圍傳感器和微處理器，極大地降低了成本，具有經(jīng)濟優(yōu)勢。

搭建的驗證樣機和電池組充電平臺均驗證了該均衡器的有效性，具有在城市環(huán)境下分布式微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)中應用的實際工程推廣價值。