学术简报｜电路结构独特、性能优异的蓄电池组高速能量均衡器
昆明理工大学电力工程学院的研究人员刘红锐、杜春峰等，在2018年《电工技术学报》增刊2上撰文（论文标题为“一种基于混合斩波电路的蓄电池组高速能量均衡器的研究”），提出一种基于混合斩波电路的蓄电池组高速能量均衡器，这种独特的电路结构使得均衡器性能优异，通过不同的斩波电路能够分别实现电池组充电状态、放电状态和静置状态下的充电能量均衡、放电能量均衡和静置能量均衡。
为了提高均衡速度和有效快速地提高电池组的充、放电容量，电池组不同的工作状态采用不同的能量均衡策略，均衡电流连续、可控性强，均衡电路易控、易实现。本文详细分析了该能量均衡器的均衡策略、工作原理，并搭建实验平台对串联的磷酸铁锂电池进行充、放电均衡实验，均衡实验结果证明该能量均衡器的有效性。
锂离子电池具有体积小、重量轻、能量密度大、标称电压相对较高、循环寿命长、无记忆效应等优点，被广泛应用于电动汽车电源。锂离子单体电池标称电压低，磷酸铁锂电池只有3.2V，为满足不同的电压等级，需要多个单体锂离子电池串联。
而单体锂离子电池间存在性能差异，在电池组使用过程中，各个单体锂离子电池间会出现能量不一致的问题，从而导致电池系统的充、放电容量逐渐减小。为了解决电池组中串联的单体电池间能量不一致的问题，必须采取有效的措施对电池组进行能量均衡。
根据储能元件的不同，目前均衡器可分为电阻均衡、电容均衡、电感均衡、LC均衡和变压器均衡等。其中，电阻均衡是能耗均衡，其他几种是非能耗均衡。电容均衡以电容作为能量转移的载体，通过单体电池间的电压差实现能量的均衡，由于电池间的电压差较小，均衡能量转移困难；电感均衡以电感作为能量转移的载体，均衡电流易控，但均衡器性能由均衡器电路结构和均衡策略决定；LC均衡通过LC振荡电路实现电容均衡，弥补了电容均衡电压差小的缺点，但开关频率高，均衡电路控制复杂，均衡效率低；变压器均衡多以反激式变压器作为能量转移的载体，均衡器的体积较大，均衡效率和均衡速度均受到限制。
由于现有的均衡器功能有限，均衡拓扑电路或均衡策略单一，很少根据电池的工作状态采取不同的均衡拓扑电路或均衡策略，因此目前的均衡器普遍存在均衡速度较慢，均衡能量可控性差，均衡效果不理想等问题。
例如，文献[14]提出的电池包到单体电池的均衡方案开关器件较多，损耗较大，能量只能单向转移，并且控制比较复杂。文献[18]提出了一种主动均衡方案，其采用反激式变压器减小了均衡器的体积，但在均衡过程中的均衡电流不连续。
本文提出了一种基于混合斩波电路的蓄电池组高速能量均衡器，通过不同的斩波电路分别实现了电池组充电、放电和静置三种状态下的能量均衡，均衡速度快，均衡能量连续、可控性强，同时能够有效快速地提高电池组的充、放电容量，通过双层桥臂实现了能量的双向流动，均衡器能量损耗低，均衡器的控制更为简单，电路更容易实现。
图6 实验平台
本文提出的一种基于混合斩波电路的蓄电池组高速能量均衡器，通过采用不同的均衡策略可以实现电池组在三种不同状态下的能量均衡，均衡电流连续可调、均衡电路控制简单、均衡速度快、电路易实现。
均衡器可以用于小型的串联蓄电池电源系统中，也可以用于大规模的串联蓄电池电源系统中，如电动汽车车载动力电池及蓄电池储能系统。另外，随着半导体技术的发展，可选择损耗更小的开关器件，使均衡器效率进一步提高。