电池管理系统均衡技术分析——以大容量储能系统为例

文｜钱柄旭

近年来，我国的科技水平日益提升，同时，为了保证经济的可持续发展，国家更加重视环保的重要价值。在这一背景下，以新能源汽车为代表的各式各样的新能源设备逐渐受到了大多数企业的重视与青睐。但是在实际工作情境中，电池组的一致性问题一直是大容量电池储能系统存在的主要问题，对其均衡技术进行研究能够有效促进我国新能源行业的高速发展。本文通过对相关文献进行查阅，首先对大容量电池储能系统的基本概念、原理等内容进行了简要阐述，结合相关科学理论知识，对其采取的电池管理系统均衡技术进行了深入分析。希望本文的研究内容能够为我国新能源电池行业的发展提供一定的助力与支持。

一、前言

随着时代的发展，油气能源的弊端已经开始逐渐体现了出来，其对于环境造成的污染是十分明显的，不利于当前我国所提倡的经济可持续发展的持续推进。在这一背景下，传统的电力能源开始被更多的行业所看重，如电动汽车行业。但是，在新能源技术发展过程中，一般的风、光资源富集区域一般都远离电能负荷中心，当地电网无法有效实现对于这些大量电能的有效吸纳，因此通常需要大容量储能系统为其提供调峰支持、支持，这时就需要采用均衡技术解决电池管理系统（BESS）中普遍存在的电池组一致性问题。本文首先对大容量电池储能系统的基本特点进行分析。

二、大容量电池储能系统

大容量储能系统在实践中通常具备电网调峰、提高电力系统稳定性、调节过负荷冲击等重要功能，能够改变传统意义上的电网结构，主动对电网电能的品质进行调节，有效提升电网工作的稳定性。

随着电力需求的不断增加，全球各国对于储能技术的研究逐渐深入。当前的大容量储能技术主要包括物理储能、化学储能、其他储能三个主要类型。在实践中，每个储能类型都能进一步划分为更加具体的储能技术，在实践中具备完全不同的技术优势。

在大容量电池储能技术领域，需要将电池串并联成组进行处理，在这一过程中，电池一致性问题一直都是困扰其功能充分发挥的重要问题。具体而言，虽然当前电池在成组之前都需要进行性能一致性匹配，但是，每个电池单体之间也会存在一定的细微差异，这种差异会随着电池组充放电次数的增加而不断积累，并最终反映到实际工作情境中，表现为电池系统一致性变差、电池系统充放电性能劣化、电池系统可用容量大幅度衰减等。为了解决这一问题，通过外部手段对其进行维护是非常必要的，具体原理是通过设置BMU-BCMS-BAMS三层电池管理系统，对电池的相内、相间能量进行均衡，最终提升电池容量利用率。

三、电池模块内均衡技术研究

本文的电池模块内均衡主要由BMU采用一种基于隔离型的MOS开关装置进行转换的方式来实现。从具体原理角度来看，该设备能够形成一个DC/DC，即直流/直流变换单元来生成一路隔离的可对单体进行充放电的直流电源（DC电源）。在电池组充电过程中，如果单电池之间的差异明显增大，那么技术人员就可以通过系统选择其中电量最低的电池，并通过MOS开关，将传统的DC电源切换到电池B的两端，进而使得该电池的充电电流远远大于其他电池，进而确保低电量的电池能够补充更多的电能，最终有效提升电池组的充电时间。

在电池组进行放电的过程中，如果单电池之间的差异明显增大，那么技术人员就可以通过系统选择其中电量最低的电池，并通过MOS开关，将传统的DC电源切换到电池B的两端，对其进行补电，这种操作方式能够保证该电池的放电电流能够明显小于其他电池，最终确保整个电池组的放电量能够得到增加，进而延长放电时间。

在实际工作情境中，多个MOS开关之间的切换会使其在充电过程中，最低电量电池的充电电流长期明显大于其他电池，在放电过程中，最低电池所产生的放电电流也同样长期明显小于其他电池。这种现象的长期持续能够使得电池组内的单体电池长期保持相当优秀的均衡性，进而为电力系统的正常运行提供重要的技术支持。

四、电池模块间均衡技术研究

本文设计的电池模块内均衡装置采用的是交流功率母线拓扑结构，其基本结构为，在交流母线上分别设置DC/AC加变压器组成的动态均衡模块，并将其作为母线与不同电池模块之间的沟通点，这种方式能够使不同电池模块之间共用交流侧，最终实现传输功率的目的。

运行原理为：当电池簇中出现电压偏高、偏低的电池模块时，通过控制通断其对应的DC/AC逆变器模块，能够将电压值偏高的直流电压逆变到母线上，并将逆变后的交流方波调整至电压值偏低的电池模块处，进而实现能量的均衡传递。

此种装置设置方式在实践中通常具备以下几点重要优势：（1）并联条件，本装置能够利用多逆变电源并联运行的类似机制，保证模块输出的交流频率、相位一致。（2）能够利用模块间压差造成的环流进行均衡，对于其输出功率并不具备特定要求。（3）具备专有均衡控制器，能够由专用控制器进行控制，不受BCMS和均衡控制器控制。（4）硬件控制。本文所设计的逆变器为全硬件控制，在实践中具备相当强的稳定性。（5）本系统能够保证各个电池模块间采用相同的频率工作。

五、四级均衡体系的构建与实现

在电池模块内均衡技术、电池模块间均衡技术研究的基础上，笔者进一步提出了四级均衡体系的构建与实现策略。具体而言，电池管理系统存在分层、分级设计的特点，BMU（电池管理单元）负责对电池模块内部的每一个具体的单体电池进行管理，其次，BCMS（电池簇管理系统）主要对其上层单位进行管理，即电池簇的各个电池模块。最后，BAMS（电池阵列管理系统）、BCMS负责对整个系统在建立、运行过程中产生的信息进行传递与监测，除此在外，还需要与PCS、监控系统进行彼此之间的信息传输，最终构成BMU-BCMS-BAMS三层次大容量电池管理系统。

在上述系统功能得到实现的基础上，BMU-BCMSBAMS分别实现对电池模块内均衡、电池模块相间均衡、电池系统相内与相间均衡的功能，建立了完善的实际均衡体系。

综上所述，BMU-BCMS-BAMS四级均衡体系主要具备以下几点优势：（1）层次性。能够在不依赖外部能量输入的基础上实现电池模块之间的能量转移，进而减少能量耗费。（2）电流大。该系统各级均衡子系统的最大电流均达到了5A及以上，能够明显缩短均衡实现。（3）效率高。本系统能够提供相当高的功率转换效率，从数据角度来看，能够提供90%以上的能量转换效率，能够有效增加均衡电流。

六、结论

纵观全文，当前我国正处在经济体制改革的关键时期，在经济可持续发展的政策背景下，风电、光电等清洁能源在能源市场上的占比正在不断提升，能够为民众提供更加丰富、清洁的资源选择空间。本文首先对大容量储能系统的基本概念、功能特色等内容进行了简要阐述，并进一步对电池模块内均衡技术、相间均衡技术进行了研究与分析，最终提出了四级均衡体系的形成与实施。希望本文的研究内容能够为大容量电池系统的寿命增长提供一定的技术、理论支持。