基于电力的储能调频电站串联锂离子电池组均衡技术分析

前言：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。

研究背景：锂离子电池因具有能量密度高、响应速度快、循环寿命长等优点，近年来在储能电站调频领域得到了飞速发展。为满足调频电站的电压和功率要求，需将大量电池单体进行串联，如此产生的电池组串联不一致性问题，以及调频过程中高倍率和频繁切换充放电状态对不一致性程度的加剧，严重影响电池组的使用寿命和安全性能。在缓解不一致性的措施中，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的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以及使用状态下的不一致性问题。

重点内容导读：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、电动汽车动力电池以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进行研究，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。

其中任意单体间能量转移型均衡拓扑结构具有均衡效率高的优点，但均衡速度较低。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目标电池数量，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。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就可以实现一节电池与整个电池组之间的能量传递，具有均衡速度快的优点，在大规模储能调频电站应用场合具有快速均衡的优势。但此类拓扑中在均衡过程中存在对部分电池单体反向均衡的现象，即在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。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。本文认为电池组间任意多节电池的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，对未来大规模储能串联锂离子电池均衡管理具有重要意义。

结论：本文分别从能量流向和均衡控制目标对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。