電池管理系統均衡技術分析
——以大容量儲能系統為例

文｜錢柄旭

近年來，我國的科技水平日益提升，同時，為了保證經濟的可持續發展，國家更加重視環保的重要價值。在這一背景下，以新能源汽車為代表的各式各樣的新能源設備逐漸受到了大多數企業的重視與青睞。但是在實際工作情境中，電池組的一致性問題一直是大容量電池儲能系統存在的主要問題，對其均衡技術進行研究能夠有效促進我國新能源行業的高速發展。本文通過對相關文獻進行查閱，首先對大容量電池儲能系統的基本概念、原理等內容進行了簡要闡述，結合相關科學理論知識，對其采取的電池管理系統均衡技術進行了深入分析。希望本文的研究內容能夠為我國新能源電池行業的發展提供一定的助力與支持。

一、前言

隨著時代的發展，油氣能源的弊端已經開始逐漸體現了出來，其對于環境造成的污染是十分明顯的，不利于當前我國所提倡的經濟可持續發展的持續推進。在這一背景下，傳統的電力能源開始被更多的行業所看重，如電動汽車行業。但是，在新能源技術發展過程中，一般的風、光資源富集區域一般都遠離電能負荷中心，當地電網無法有效實現對于這些大量電能的有效吸納，因此通常需要大容量儲能系統為其提供調峰支持、支持，這時就需要采用均衡技術解決電池管理系統（BESS）中普遍存在的電池組一致性問題。本文首先對大容量電池儲能系統的基本特點進行分析。

二、大容量電池儲能系統

大容量儲能系統在實踐中通常具備電網調峰、提高電力系統穩定性、調節過負荷沖擊等重要功能，能夠改變傳統意義上的電網結構，主動對電網電能的品質進行調節，有效提升電網工作的穩定性。

隨著電力需求的不斷增加，全球各國對于儲能技術的研究逐漸深入。當前的大容量儲能技術主要包括物理儲能、化學儲能、其他儲能三個主要類型。在實踐中，每個儲能類型都能進一步劃分為更加具體的儲能技術，在實踐中具備完全不同的技術優勢。

在大容量電池儲能技術領域，需要將電池串并聯成組進行處理，在這一過程中，電池一致性問題一直都是困擾其功能充分發揮的重要問題。具體而言，雖然當前電池在成組之前都需要進行性能一致性匹配，但是，每個電池單體之間也會存在一定的細微差異，這種差異會隨著電池組充放電次數的增加而不斷積累，并最終反映到實際工作情境中，表現為電池系統一致性變差、電池系統充放電性能劣化、電池系統可用容量大幅度衰減等。為了解決這一問題，通過外部手段對其進行維護是非常必要的，具體原理是通過設置BMU-BCMS-BAMS三層電池管理系統，對電池的相內、相間能量進行均衡，最終提升電池容量利用率。

三、電池模塊內均衡技術研究

本文的電池模塊內均衡主要由BMU采用一種基于隔離型的MOS開關裝置進行轉換的方式來實現。從具體原理角度來看，該設備能夠形成一個DC/DC，即直流/直流變換單元來生成一路隔離的可對單體進行充放電的直流電源（DC電源）。在電池組充電過程中，如果單電池之間的差異明顯增大，那么技術人員就可以通過系統選擇其中電量最低的電池，并通過MOS開關，將傳統的DC電源切換到電池B的兩端，進而使得該電池的充電電流遠遠大于其他電池，進而確保低電量的電池能夠補充更多的電能，最終有效提升電池組的充電時間。

在電池組進行放電的過程中，如果單電池之間的差異明顯增大，那么技術人員就可以通過系統選擇其中電量最低的電池，并通過MOS開關，將傳統的DC電源切換到電池B的兩端，對其進行補電，這種操作方式能夠保證該電池的放電電流能夠明顯小于其他電池，最終確保整個電池組的放電量能夠得到增加，進而延長放電時間。

在實際工作情境中，多個MOS開關之間的切換會使其在充電過程中，最低電量電池的充電電流長期明顯大于其他電池，在放電過程中，最低電池所產生的放電電流也同樣長期明顯小于其他電池。這種現象的長期持續能夠使得電池組內的單體電池長期保持相當優秀的均衡性，進而為電力系統的正常運行提供重要的技術支持。

四、電池模塊間均衡技術研究

本文設計的電池模塊內均衡裝置采用的是交流功率母線拓撲結構，其基本結構為，在交流母線上分別設置DC/AC加變壓器組成的動態均衡模塊，并將其作為母線與不同電池模塊之間的溝通點，這種方式能夠使不同電池模塊之間共用交流側，最終實現傳輸功率的目的。

運行原理為：當電池簇中出現電壓偏高、偏低的電池模塊時，通過控制通斷其對應的DC/AC逆變器模塊，能夠將電壓值偏高的直流電壓逆變到母線上，并將逆變后的交流方波調整至電壓值偏低的電池模塊處，進而實現能量的均衡傳遞。

此種裝置設置方式在實踐中通常具備以下幾點重要優勢：（1）并聯條件，本裝置能夠利用多逆變電源并聯運行的類似機制，保證模塊輸出的交流頻率、相位一致。（2）能夠利用模塊間壓差造成的環流進行均衡，對于其輸出功率并不具備特定要求。（3）具備專有均衡控制器，能夠由專用控制器進行控制，不受BCMS和均衡控制器控制。（4）硬件控制。本文所設計的逆變器為全硬件控制，在實踐中具備相當強的穩定性。（5）本系統能夠保證各個電池模塊間采用相同的頻率工作。

五、四級均衡體系的構建與實現

在電池模塊內均衡技術、電池模塊間均衡技術研究的基礎上，筆者進一步提出了四級均衡體系的構建與實現策略。具體而言，電池管理系統存在分層、分級設計的特點，BMU（電池管理單元）負責對電池模塊內部的每一個具體的單體電池進行管理，其次，BCMS（電池簇管理系統）主要對其上層單位進行管理，即電池簇的各個電池模塊。最后，BAMS（電池陣列管理系統）、BCMS負責對整個系統在建立、運行過程中產生的信息進行傳遞與監測，除此在外，還需要與PCS、監控系統進行彼此之間的信息傳輸，最終構成BMU-BCMS-BAMS三層次大容量電池管理系統。

在上述系統功能得到實現的基礎上，BMU-BCMSBAMS分別實現對電池模塊內均衡、電池模塊相間均衡、電池系統相內與相間均衡的功能，建立了完善的實際均衡體系。

綜上所述，BMU-BCMS-BAMS四級均衡體系主要具備以下幾點優勢：（1）層次性。能夠在不依賴外部能量輸入的基礎上實現電池模塊之間的能量轉移，進而減少能量耗費。（2）電流大。該系統各級均衡子系統的最大電流均達到了5A及以上，能夠明顯縮短均衡實現。（3）效率高。本系統能夠提供相當高的功率轉換效率，從數據角度來看，能夠提供90%以上的能量轉換效率，能夠有效增加均衡電流。

六、結論

縱觀全文，當前我國正處在經濟體制改革的關鍵時期，在經濟可持續發展的政策背景下，風電、光電等清潔能源在能源市場上的占比正在不斷提升，能夠為民眾提供更加豐富、清潔的資源選擇空間。本文首先對大容量儲能系統的基本概念、功能特色等內容進行了簡要闡述，并進一步對電池模塊內均衡技術、相間均衡技術進行了研究與分析，最終提出了四級均衡體系的形成與實施。希望本文的研究內容能夠為大容量電池系統的壽命增長提供一定的技術、理論支持。