随着“碳达峰”、“碳中和”战略目标的提出，人类需要构建清洁低碳、安全有效的能源体系，实现能源的可持续发展，以风能、太阳能为代表的新型可再生能源得到了迅速发展。风能、太阳能发电存在间歇和随机性，直接大规模接入电网会给电网调度带来很大的困难，同时影响电网的安全稳定运行，蓄电池储能技术在间歇性新能源开发和利用中发挥着重要的作用。

锂离子电池具有标称电压高、质量比功率高、自放电系数小、循环寿命长、无记忆效应等优点，在蓄电池储能系统上有良好的发展前景。锂离子单体电池标称电压在3.6 V左右，为满足不同规模储能系统的电压需求，需要几十个、甚至上百个单体电池串并联使用。

单体锂离子电池间存在性能差异，使串联使用的各个单体电池间出现端电压或能量不一致的问题，而在使用过程中需要保证串联的每个单体电池均不能出现过充电和过放电的情况，因此蓄电池系统的充放电容量受限于各单体电池，随着充放电循环次数的增加，串联单体电池间能量的不一致性加剧，蓄电池系统的充放电容量越来越低，循环使用寿命也随之缩短。因此，必须采取有效的能量均衡措施提高蓄电池系统的充放电容量，延长循环寿命。

目前均衡方法主要分为被动均衡和主动均衡两种。充电旁路均衡和并联电阻均衡是两种典型的被动均衡，与被动均衡相比，主动均衡在节能和对能量的控制能力，以及均衡效果方面更具优势。

根据储能元件，主动均衡可分为电容、电感、变压器以及复合储能元件均衡，其中复合储能元件指包含多种储能元件。根据能量转移路径的特点，主动均衡又可分为迂回式、直达式和混合式三种。

迂回式均衡是指能量要经过其他电池或电池组才能从能量的发出者到达能量的吸收者，这样就存在某些电池或电池组在完成一次能量转移的过程中既要吸收能量，又要放出能量。迂回式均衡的均衡效率低，均衡速度慢，且依赖串联蓄电池数量，串联蓄电池数量越多，能量路径越复杂，均衡效率越低，均衡速度也越慢，不适用于大规模蓄电池系统。直达式均衡是指能量直接由发出者到达吸收者，与迂回式均衡相比，在均衡效率和均衡速度上的优势明显。根据具体能量路径的不同，直达式均衡又可进一步分为单体向电池组、单体向单体、多个单体向多个单体、多个单体向电池组四种形式。混合式均衡是指采用多种能量转移路径，有迂回式，也有直达式，或者多种迂回式、多种直达式。均衡效率表征均衡器对能量的转化率，均衡速度表征均衡器转移能量的快慢，模块化表征均衡器在面对各种应用场合时的通用性，它们是评价均衡器的重要参数。

目前均衡方法存在以下问题：

（1）均衡器很难同时兼顾高的均衡效率和快的均衡速度。目前均衡方法，能量的发出者和吸收者均来自蓄电池系统，均衡器仅提供能量交换的路径，串联蓄电池数量越大，能量路径越复杂，复杂的能量路径成为制约均衡效率进一步提升的因素。目前均衡方法，有限的均衡目标数量成为制约均衡速度进一步提升的瓶颈，同时，均衡速度受限于串联蓄电池的数量。在均衡效率和均衡速度两个性能参数上，往往顾此失彼，很难做到同时兼顾高的均衡效率和快的均衡速度。

（2）均衡器的可扩展性不理想。可扩展性表征了均衡器在面对不同电压等级的蓄电池系统的应用场合时的通用性能。目前均衡器硬件及参数严重依赖蓄电池系统的规模，当具体的应用场合改变时，相应的均衡器硬件及参数需重新设计和选择，这将限制其在不同场合的应用和推广。

针对目前蓄电池均衡器在均衡速度、均衡效率、可扩展性等性能上的表现参差不齐，往往顾此失彼的问题。昆明理工大学电力工程学院、昆明理工大学冶金与能源工程学院的刘红锐、李海瑞，在兼顾高的均衡效率、快的均衡速度的同时实现均衡器的模块化，提出一种模块化的高性能蓄电池均衡器。

图1 均衡器拓扑结构及工作原理

均衡器采用分层并行均衡模式，由于每层均衡控制中并行均衡目标的数量最大，从而摆脱了串联单体电池数量的影响。因此均衡速度快，且不受串联单体电池数量的影响。均衡实验证明了在第一层和第二层均衡中，其并行均衡目标数量已达最大。

图2 实验平台

此外，均衡器采用最短的能量路径，即能量路径中功率开关的数量最少，均衡效率高，另外，第一层采用带死区的互补脉冲宽度调制（PWM）控制，均衡效率进一步提升。均衡实验中，第一层、第二层均衡效率分别达到97%和95%。

均衡器采用模块化设计，包含第一层和第二层均衡模块，所需功率开关器件的额定电压低，且均衡器硬件及参数与蓄电池系统电压等级无关，因此当串联蓄电池数量增加时，只需增加相应的均衡器模块的数量，而均衡器硬件及参数一经确定将保持不变。模块化设计使均衡器易于扩展、应用范围广。

研究者指出，本次真正实现了模块化的高性能均衡器，当蓄电池系统规模变化时，只需增减均衡模块的数量，均衡器硬件保持不变，同时均衡器兼顾高的均衡效率和快的均衡速度。

本工作成果发表在2023年第17期《电工技术学报》，论文标题为“一种模块化的高性能蓄电池均衡器研究”。本课题得到国家自然科学基金的支持。