学术简报︱基于任意单体间能量转移的高效均衡策略
合肥工业大学机械工程学院、安全关键工业测控技术教育部工程研究中心的研究人员刘征宇、严鹏、武银行、许亚娟，在2019年第21期《电工技术学报》上撰文，基于任意单体间直接转移能量均衡拓扑，提出一种新型高效均衡策略。
根据单体充放电特性曲线，采用安全系数重新划定分区，设定整体剩余电量归属函数，并设定分段阈值修正因子函数；理论推导阈值中心点搜索过程的变化规律，以剩余电量均值为起点，采用预搜索方法迅速判定搜索方向，从而快速确定最优值；建立转移信息矩阵与转移过程模型，利用线性规划方法求解转移能量最优路径。
该策略以剩余电量为均衡指标，对六节串联锂离子单体进行充放电均衡对比实验。实验数据表明，较其他均衡方案，本方案可以更高效、低耗地完成均衡目标，有效改善电池组的工作性能。
锂离子电池由于其优越的性能被广泛应用于电子产品、新能源汽车及储能系统等领域。均衡技术是锂离子电池单体成组使用过程中改善不一致性的重要手段。其中，非消耗型均衡已成为了当前研究的热点。
基于非消耗型均衡方法，为进一步实现均衡过程的高效性与低耗性，现有的拓扑结构及均衡方法按其实现方式主要可分为三类。
（1）减小开关自身损耗。有学者提出采用准谐振软开关技术来实现开关零损耗的方法。此方法通过降低开关损耗，从而有效提高均衡效率，是一种适应性较强的低耗方法，但是谐振电路也在一定程度上增加了电路的复杂度。
（2）避免能量转移带来开关损耗。有学者提出了一种“屏蔽”均衡拓扑电路，此方法消耗较低，适用于充电过程，对充电输出电流要求较高。有学者提出了一种基于电池性能实验的分段充电电流曲线，根据电池状况设置不同的充电电流，从而有效维持不一致性。此方法适用于单体初始差异较小的电池组。
（3）通过合理的能量转移路径减小损耗。传统的“削峰”均衡和“填谷”均衡分别只适用于充电和放电单过程，且均衡耗时相对较长。有学者提出了能够实现相邻单体间转移能量的均衡拓扑结构，此拓扑结构可以简单快速地实现相邻单体均衡，但有时可能会导致较多无需均衡的单体参与均衡。有学者提出了一种利用额外存储单元转移能量的均衡拓扑电路，此拓扑的均衡策略较为简单，集中收集与分配能量，操作次数固定。
此外，任意单体间直接转移能量的拓扑结构及均衡策略也先后被提出。有学者提出了一种实现任意单体间转移能量的均衡拓扑电路，并简略提出按荷电状态（State of Charge, SOC）值高低进行配对转移的策略。有学者提出了一种“最高电量单体与最低能量单体之间进行转移能量”的策略，但未给出具体的转移方法。有学者提出一种基于推挽变换器的模块化电池均衡电路，可以有效缩短均衡路径。
本文基于任意单体间直接转移能量的均衡拓扑结构，提出一种新型的均衡中心及均衡阈值设定方法，并通过建立均衡过程的数学模型，提出一种具体的能量转移最优路径的求解方法，发挥任意单体间转移能量拓扑结构的灵活性，实现了能量转移过程的高效与低耗。
图5 实验系统实物
本文提出一种新型均衡中心点及均衡阈值设定方法，改善了传统设定方法的弊端。并经过数学建模，求解得到均衡最优转移路径。经对比实验验证，本文提出的新型均衡方法可以提高均衡效率。此外，由于均衡操作对象是高电单体与低电单体，因此该策略可避免极端电量单体带来的不良影响。
下一步的研究工作可以从筛选最优路径解向量出发，在操作次数相同且最少的情况下，通过合理的评判指标来进行进一步最优筛选。