图1 电池储能系统一致性差异的成因
Fig.1 The causes of inconsistency in battery energy storage system
摘要 电池储能系统具有调节速度快、布置灵活、建设周期短等特点，在包含高比例可再生新能源的新型电力系统中发挥重要作用。电池储能系统的显著特点是单体数量众多，各单体间不可避免的一致性差异将对其能量利用率、循环寿命、安全性产生严重影响。该文对电池储能系统均衡方法进行了综述。首先，分析了串并联电池组的特点及均衡的必要性；其次，重点评析了不同类型均衡变量、均衡拓扑、均衡控制方法所具备的特点，通过详细对比研究，表明各自的发展趋势；最后，对电池储能系统主动均衡方法进一步的研究方向进行了展望。该文旨在为未来进一步开展电池储能系统主动均衡方法的研究提供参考。
关键词：电池储能系统 均衡变量 均衡拓扑 均衡控制 综述
发展以可再生能源为主体的新型电力系统是国际社会推动能源绿色转型、促进能源高质量发展以及加速实现双碳目标的重要举措[1-2]。以最大化消纳新能源为主要任务的新型电力系统对于平滑输出、调峰调频需求迫切，而储能系统作为电力系统的灵活性调节资源，不仅可提高常规发电和输电的安全性、经济性，也可实现可再生能源大规模接入时的平滑波动、调峰调频，在包含高比例可再生能源的新型电力系统中发挥着重要的作用[3]。而以电池储能为代表的新型电化学储能具有调节速度快、布置灵活、建设周期短等特点，已逐渐成为提升电力系统可靠性的重要手段[4-5]。电池储能系统的研究是发展“以新能源为主体”的新型电力系统的重点研发方向，获得了国内外相关研究机构和工业界的高度关注。
由于单体电池容量有限，且电压较低，所以电池储能系统一般由多个单体电池串并联成组以满足应用需求[6-7]。如此一来，实际使用中，各单体间的一致性差异将严重影响电池储能系统的能量利用率及循环寿命，并危及系统安全[8-9]。电池储能系统一致性差异产生的实质原因有两个[10]：①由于工艺和材质的原因，使得制造过程中同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻等参数不可能完全一致；②使用过程中，电池内部复杂的电化学反应，结合电池充放电倍率、放电深度、环境温度等外部因素将导致电池的老化衰减速度不同，随后使得电池储能系统各单体产生一致性差异。
反映电池储能系统一致性差异的外部表现主要有两个方面[11-14]：①电池单体性能参数的差异，主要包括电池容量、内阻和自放电率的差异；②电池工作状态的差异，主要包括电池荷电状态（State of Charge, SOC）和工作电压的差异。上述一致性差异产生的实质原因及外部表现相互耦合，进一步加剧了电池储能系统一致性差异的扩大。一致性差异产生及扩大的耦合过程如图1所示。
由电池储能系统一致性差异产生的原因分析可知，即使单体电池技术取得重大突破、性能显著提高，但影响电池储能系统使用寿命的关键因素始终是电池的一致性差异，而电池的一致性差异在电池成组应用中是绝对存在的[15-16]，该问题只能改善而无法彻底消除。对于制造工艺引起的初始性能差异，并不能依靠电路改善，只能是在电池出厂前提高工艺水平，并对即将成组的单体进行分选。在实际使用时，即使保证了电池成组前单体电池初始性能的一致性，也会因为使用条件和环境不同而产生一致性差异。因此，为降低电池储能系统内各单体间的一致性差异，必须建立可靠的均衡方法[17-19]，以提高电池储能系统的能量利用率，并确保系统安全。
图1 电池储能系统一致性差异的成因
Fig.1 The causes of inconsistency in battery energy storage system
目前，电池储能系统的发展正逐步由示范项目向商业化应用转型，对电池储能系统的性能和均衡效果也提出了更高的要求，电池储能系统均衡方法将逐步向更快速、更高效、更经济的方向发展。
较多学者从不同角度对均衡方法进行了研究，取得了理想的研究结果，也有学者对电池储能系统均衡方法研究现状进行了整理和综述[9, 16, 18, 20]。文献[9]对串联电池组均衡拓扑进行了较为细致的分析，主要综述内容包括主被动均衡拓扑的优缺点分析、均衡拓扑选择方法及改进思路；但其并没有对均衡变量及均衡控制展开分析，并且针对均衡拓扑类型的总结尚不完整，没有包含基于冗余思想的拓扑、基于电池组重构的拓扑等类型。文献[16, 18]基于均衡能量转移方式对主动均衡拓扑进行了综述，表明了不同能量转移方式对应的均衡速度、均衡效率和拓扑成本等均衡性能指标的评价方法；但其在对均衡性能评价过程中，没有对基于不同储能器件的拓扑进行区分，导致能量转移方式一致而储能器件不同的拓扑具有相同的评价结果，这种评价方式的可靠性有待进一步验证。文献[20]基于均衡变量、均衡目标确定、均衡算法对均衡策略进行了综述，并从不同角度分析了均衡方法的发展前景；但其并没有对均衡拓扑进行分析，而均衡拓扑作为均衡方法设计的基础，高效的均衡拓扑可能意味着并不需要复杂的均衡算法即可实现理想的均衡效果。
通过对电池储能系统均衡方法综述研究现状的分析可知，目前较多学者对主动均衡拓扑的研究多局限于基于电感、电容等储能器件的拓扑结构整理，对近年来发展较快的基于冗余思想的拓扑、基于电池组重构的拓扑和模块化拓扑较少涉及；同时，对串并联电池组均衡的必要性、均衡变量和均衡控制的整理和综述也较少。而均衡变量和均衡控制作为均衡方法的关键技术，与均衡拓扑一起直接影响了最终的均衡效果，因此，有必要对均衡变量和均衡控制进行深入评析并综述。
本文对电池储能系统均衡方法的研究进行系统性梳理，创新点在于：
（1）对均衡变量、均衡拓扑及均衡控制方法同时进行梳理，更为全面地评析了均衡方法所涉及的各关键技术研究现状及特点。其中，针对均衡变量的综述，引入了多变量均衡的内容；针对均衡拓扑的综述，引入了近年发展较快的基于冗余思想的拓扑、基于电池组重构的拓扑和模块化拓扑；针对均衡控制的综述，从均衡目标判定和能量转移方式的角度，更为细致地评析了不同均衡控制方式的特点。
（2）在分别研究了均衡变量、均衡拓扑及均衡控制方法发展趋势的基础上，为新型均衡方法的发展方向提出了展望，有利于未来电池储能系统新型主动均衡方法的创新及突破。
本文首先分析了串并联电池组的特点及均衡的必要性；其次对不同均衡变量、不同均衡拓扑和不同均衡控制方法的优缺点进行详细的分析，并对其未来可能的发展方向做出展望。
为满足储能系统容量、电压等级的需求，单体电池需要进行不同的串并联以构成电池组的形式。串联电池组与并联电池组具有不同的特点，目前较多文献针对串联电池组的均衡展开研究，少部分文献对并联电池组的均衡展开研究[21-23]。本节首先分析串并联电池组的特点，然后对不同成组方式均衡的必要性进行分析。
实际应用中，电池串联提高了电池组的电压，当各单体电池出现一致性差异时，最先充满的单体达到充电截止电压后，其余单体也停止充电；最先完成放电的单体达到放电截止电压后，其余单体也停止放电，最终影响电池组的能量利用率、循环寿命及安全性。串联电池组使用过程中，若某个单体出现短路故障，可能影响电池组的电压输出能力，但对电池组过电流影响不大。
电池并联提高了电池组的容量，即电流输出能力，当单体电池出现一致性差异时，各单体电流不一致，可能导致各单体的老化速率、产热状态等产生差异。并联电池组使用过程中，若出现单体短路故障，可能对电池组造成致命性伤害。
根据串并联电池组的特点，串联电池组各单体电压可能不一致，但电流始终一致；并联电池组各单体电压始终一致，而电流可能不一致。对于串联电池组，各单体出现一致性差异时，产生木桶效应，导致整组电池的能量利用率及循环寿命下降，因此对串联电池组的均衡非常必要。对于并联电池组，各单体出现一致性差异时，端电压仍然相等，并联电池组充放电示意如图2所示。
图2 并联电池组充放电示意
Fig.2 Charge and discharge schematic of parallel battery pack
当电池组处于充电或放电状态时，若B1健康状态较差、内阻较大，则其更容易充满或放完。此时，由于各单体电压相等，图2a中B1相比于其他单体，充电电流较小，充电速度慢；图2b中B1相比于其他单体，放电电流较小，放电速度慢。因此，并联电池组充放电过程自身具有一定的自均衡能力，增加其外部均衡性并非必须，实际应用中短路故障是并联电池组需要重点克服的问题。
均衡变量是电池储能系统均衡控制判定电池组所有单体是否满足期望一致性的重要依据。降低电池组一致性差异的首要前提是找出合适的均衡变量。理想的均衡变量需要同时满足[18, 20]：①能够直接或间接体现各单体的一致性差异；②实时性好且具备足够的精度。
目前常见的均衡变量包括开路电压（Open Circuit Voltage, OCV）、工作电压（Operating Voltage, OV）、SOC、健康状态（State of Health, SOH）、剩余容量（Remaining Capacity, RC）和温度（Temperature, T）等参数[2,8,16,20]。
为全面、直观地分析各均衡变量的特点，从参数获取难易程度、精度、实时性、适用范围、推广程度和应用前景等方面对各均衡变量进行评价。其中，参数获取的难易程度、精度和实时性的核心评价依据为其是否可以直接测量、在线估计的计算量；适用范围主要指的是适合于在线工作状态或离线工作状态，是否可以直接表征各单体电量差异；推广程度和应用前景主要基于目前主流厂商的技术现状评价；基于各均衡指标的优缺点进行应用前景评价。各均衡变量评价结果如图3所示，其中评价结果的含义为：优秀（Excellent, E）、良好（Good, G）、中等（Medium, M）、偏差（Satisfied, S）、较差（Poor, P）。
图3 均衡变量评价结果
Fig.3 Evaluation results of equalization variables
以OCV作为均衡变量，优点在于：容易直接测量且精度高；与SOC有良好的映射关系，在电池处于稳态时，当开路电压一致性较好时相对应的单体SOC也同时具有良好的一致性。其局限性在于：测量前需要长时间静置，使得均衡时间较长且容易过均衡，不适合电池组的在线均衡；同一规格不同老化程度或温度的电池、不同规格的电池OCV-SOC曲线不完全一致，OCV-SOC标定复杂。
目前的均衡系统多以OV作为均衡变量[24-26]，其优点在于：与OCV相比，OV的测量更加便捷，可以实时测量且精度高；OV是电池充放电截止电压的判别标准，以OV作为均衡变量可以有效避免电池组过充过放。局限性在于：由于极化效应，OV易受负载电流的影响，负载电流瞬时变化较大时，OV会发生显著突变，造成均衡系统发生误动作而频繁启停，进而导致均衡不足或过均衡；不同类型的锂电池均存在电压平台期，在SOC为10%～90%之间时，很小的电压差异对应了较大的SOC差异，可能导致电池SOC差别较大时，仍未开始均衡，进而导致均衡精度低，对能量利用率的改善效果不明显；而在电池充放电末期，SOC的微小变化致使OV显著变化，容易导致均衡不足。需要说明的是，以OV作为均衡变量时，通过增加采样频率可有效减小负载电流波动导致的电压跳变对均衡效果的影响。
以SOC作为均衡变量，优点在于：能够直接反映各单体的电量状态，SOC均衡可以保证电池组内所有单体电量同时充满或放完；考虑老化状态影响的SOC，可以有效地避免单体SOH差异对电池组能量利用率的影响。局限性在于：不能直接测量，需要数学方法进行估算，计算量偏大，实时性不及OV；目前考虑多因素影响的SOC估计精度偏低，且充放电末期电池性能变化较大导致SOC估计误差更大。
以RC作为均衡变量，优点在于：当电池SOH一致时，可保证所有单体同时充满或放完，提高电池组能量利用率。不足之处与SOC作为均衡变量时的局限性类似。
以SOH作为均衡变量，优点有：能够真实反映各单体的老化差异、电量输出能力。局限性有：SOH是一个长时间尺度的参数，量化时间尺度较长，短时间的充放电过程难以及时量化SOH的变化；另外也存在SOC作为均衡变量时的不足。
基于上述分析可知，不同的均衡变量虽然可以从不同角度表征电池组的一致性差异，但均存在不同程度的局限性。实际应用过程中，建议考虑将不同变量进行融合，以取得理想的均衡效果。
为取得理想的均衡效果，也有学者对多变量均衡展开研究。多变量均衡主要包括“SOC+温度”“SOC+电压”“SOC+温度+老化率”等。
1）基于“SOC+温度”的均衡
文献[27-28]分别提出了基于SOC和温度的双变量均衡，其中文献[27]基于负载电流分类，在负载电流较小时实现SOC均衡，负载电流较大时实现温度均衡；文献[28]基于模型预测控制，通过改变不同温度单体的电流，实现SOC和温度均衡。SOC和温度的一致性差异，会对电池组的能量利用率和老化状态产生严重影响，SOC和温度的均衡一方面可以保证电池组的能量利用率，另一方面可以减缓电池组老化。
2）基于“SOC+电压”的均衡
基于SOC和电压的均衡是较为常见的多变量均衡形式[29-31]，此类形式均是利用不同的算法，在电压平台期实现SOC均衡，在SOC较小或较大时实现电压均衡。SOC均衡能够保证电池组能量充分利用，而电压均衡能够有效避免过充过放，保障电池安全。
3）其他多变量均衡
除上述多变量均衡之外，还有基于“电压+容量”“SOC+SOH”“SOC+SOH+温度”和“SOC+电压+温度”的均衡[11, 32-33]。其中，文献[32]以SOC和SOH共同作为均衡变量，基于两个变量的不均衡度设计均衡控制策略，实现了可靠的多变量均衡；文献[11]和文献[33]分别基于SOC、SOH、温度和SOC、电压、温度设计了不同的多目标自适应均衡控制策略，阐明了SOH均衡可以实现各单体电池在不同工况下的寿命衰减程度达到一致，使得不一致性从本质上得到改善，而SOC均衡与温度均衡进一步避免了单体电池一致性差异的扩大，电压均衡则避免了不均衡单体的过充和过放，提高了电池组的安全性。上述研究从不同角度证明了多变量均衡相比于单变量均衡更能保证电池组的一致性，对提高电池组能量利用率、循环寿命和安全性具有更为重大的意义。
目前，较多文献采用多变量均衡，从不同角度保证电池组内各单体的一致性差异。理论上，精确的SOC均衡能够保证各单体同时充满或放完，而精确的SOC估计必须同时考虑温度和SOH的影响。
基于考虑温度和SOH影响的SOC进行均衡，同时能够保证SOH的均衡，但无法保证温度的均衡。这是由于：假设电池组处于充电过程，当进行SOC均衡时，在正常工作温度范围内，温度高的单体往往具有更大的可用容量，各单体充入相同电量时，温度高的单体SOC较小，需要对其充电均衡，这就增加了温度高的单体的充电电流，导致温度高的单体其温度可能进一步上升；电池组处于放电过程的分析类似，因此，基于考虑温度影响的SOC进行均衡，并不能保证温度同时实现均衡。基于考虑SOH影响的SOC进行均衡，能够保证SOH的同时均衡，这是由于：假设电池组处于充电过程，当进行SOC均衡时，SOH高的单体往往具有更大的可用容量，各单体充入相同电量时，SOH高的单体SOC较小，需要对其进行充电均衡，这就加剧了SOH高的单体的充电电流，导致SOH高的单体其SOH减小，相当于SOH也实现了均衡；电池组处于放电过程的分析类似，因此，基于考虑SOH影响的SOC的均衡，同时也保证了SOH的均衡。通过上述分析，基于考虑温度和SOH影响的SOC均衡，必须同时进行温度的均衡，才能避免各单体一致性差异的扩大，保证电池组的可靠性。另外，由于锂电池存在电压平台期，其工作过程具有“帚颈”效应，当SOC处于电压平台期时，微小的电压变化对应了显著的SOC变化，而当电池处于充放电末期时，较小的SOC变化对应了显著的电压变化，因此，为保证电池组的均衡精度及安全性，充放电末期适合进行电压均衡。电池组均衡过程中理想的均衡变量示意图如图4所示。
图4 均衡变量示意图
Fig.4 The diagram of equalization variables
整个电池组充放电过程，应首先保证温度均衡，其次当电池组处于电压平台期时进行SOC均衡，当电池组处于充放电末期时进行电压均衡。温度均衡可以避免一致性差异的扩大，同时保证电池组的安全性；电压平台期的SOC均衡可以保障电池组的能量利用率；充放电末期的电压均衡可有效减少各单体的过充过放，进一步保障电池组的安全性。需要说明的是，温度均衡指的是正常工作温度范围内的均衡，当组内有单体电池温度超出正常工作范围时，需要进行更有针对性的安全管理。
电池系统的均衡方法分为主动均衡和被动均衡，本节对主动被动均衡拓扑的研究进行综述。
被动均衡又称能量耗散型均衡，主要依靠并联电阻的方式，将高电量单体中多余的电量转化为热能消耗，直到高电量单体与其他单体的电量一致。图5所示为两种常见的被动均衡拓扑。
图5 被动均衡拓扑
Fig.5 Topologies of passive equalization
图5a中均衡过程为：电池组首先采集和判断各单体电池电量，当检测到某单体电池的电量最高，且不一致性大于均衡阈值时，控制电路通过控制开关器件接通该单体电池并联的电阻，单体电池电量通过电阻进行损耗，直到该单体电池的电量满足均衡停止要求时，断开开关器件。图5b中拓扑利用齐纳二极管的稳压作用进行均衡，均衡过程为：当单体电池电压大于齐纳二极管的导通电压时，齐纳二极管反向导通，对应的单体放电，直到单体电池电压下降到齐纳二极管稳压值以下时，均衡结束。图5中拓扑均是基于电阻放电进行均衡，均衡过程会降低电池组的能量利用率，同时带来散热问题。
被动均衡一般在电池接近充电截止电压时才启动放电均衡。由于被动均衡是电阻耗能式均衡，所消耗的能量都以热量的方式释放，所以在均衡过程中电池管理系统会发热，导致了均衡电流不能过大，否则会引起电池组温度过高。一般被动均衡电流为35～200 mA不等，均衡电流越大，发热越严重。被动均衡的优缺点及应用场景见表1。
表1 被动均衡特点
Tab.1 The characteristics of passive equalization
项目内容 优点结构简单，成本低，体积小且易控制 缺点均衡电流较大时，电阻放电功率大，热量多，可能会影响电池管理系统整体的运行 均衡电流较小时，在大容量电池组中、电量差别大的情况下电量均衡作用效率很低 应用小容量、低串数的锂电池组均衡
由以上分析可知，在储能电站等中高功率应用领域，由于储能系统容量较高，单体数量众多，充放电电流较大，被动均衡并不适用于储能电站的应用。在电池均衡的落地应用上，对于低速电动汽车或电动自行车等小容量电池组，被动均衡更加符合工业产品的批量生产和控制成本的需求。
主动均衡又称能量非耗散型均衡，主要依靠电感、电容、变压器等储能元器件进行能量转移。利用电力电子技术设计均衡电路，将电池组中电量过高单体的电量转移至电量较低的单体，实现各单体间能量的均衡是当前国内外主动均衡方法研究的热点。各研究团队不断致力于对均衡拓扑结构进行改进，降低电路成本，简化控制过程，提高均衡速度及效率。主动均衡拓扑主要分类如图6所示[16, 18]。
3.2.1 电感型均衡拓扑
电感型均衡拓扑以电感作为储能元件，利用其续流作用进行均衡能量转移，分为单电感均衡拓扑与多电感均衡拓扑[19,34-36]。文献[24]提出一种单电感均衡拓扑，其结构如图7所示。
图6 主动均衡拓扑分类
Fig.6 Classification of active equalization topologies
图7 文献[24]中拓扑
Fig.7 The topology in Ref.[24]
拓扑由串联电池组、MOS管反接组成的开关阵列以及电感组成，结构简单，通过控制不同位置的MOS管，实现均衡能量在任意单体或任意相邻单体组成的电池模块间转移。该拓扑在理论上具有较为理想的均衡速度及效率，但双向MOS管的应用对控制信号的精度要求较高。
文献[37]中拓扑结构与文献[24]类似，但开关阵列单元将一个MOS管替换为了二极管，虽然会影响均衡效率，但控制难度大大降低。文献[38]提出一种如图8所示的多电感型均衡拓扑，包含n节单体的均衡电路需使用n-1个电感，每个电感都可将电池组分隔为两个相邻的部分，均衡能量通过电感在两个相邻部分间转移，最终实现整体均衡。该拓扑可能导致不需要均衡的单体也参与均衡，进而影响均衡效率及速度。
图8 文献[38]中拓扑
Fig.8 The topology in Ref.[38]
文献[39]中拓扑与文献[38]类似，但利用更多的电感组成了更加多样的均衡路径。文献[40]中拓扑基于均衡子电路，通过引入分层思想，将串联电池组划分为若干电池模块进行均衡，结构如图9所示。
图9 文献[40]中拓扑
Fig.9 The topology in Ref.[40]
模块内每两节单体间搭配一个电感，实现两节单体间均衡能量的转移，每两个模块间同样设置有电感，进行相邻模块间能量的转移，分层均衡拓扑相比于单层均衡拓扑具有更快的均衡速度，但控制复杂度较高。文献[41]同样是分层均衡的拓扑，但其模块间的均衡可实现能量在任意模块间转移和均衡，相比于文献[40]中拓扑，理论上均衡速度更快。
3.2.2 电容型均衡拓扑
电容型均衡拓扑依靠电容与均衡对象间的电压差进行均衡能量的转移，同样可分为单电容均衡拓扑与多电容均衡拓扑[25,42]。文献[43]提出了一种单电容均衡拓扑，如图10所示。文献[44]提出一种多电容均衡拓扑，如图11所示。
图10 文献[43]中拓扑
Fig.10 The topology in Ref.[43]
图11 文献[44]中拓扑
Fig.11 The topology in Ref.[44]
图10中拓扑通过检测线路电流判断电池组的一致性差异，依靠MOS管的导通关断，令高电量单体为电容充电，电容再将储存的电量转移至低电量单体，实现均衡能量在相应单体间转移。图11中拓扑每节单体并联一个电容，所有电容通过开关再并联在一起，该电路无需进行电压检测，只需一组脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）波控制电容左右两侧开关轮流导通。所有单体首先对与其并联的电容充电，充电结束后电容电压等于与其并联的单体电压；然后将所有电容并联，若存在电压差电容间就会进行电量转移，电压比较低的电容会被充电，电压比较高的电容会放电；最后将电容重新并联在单体上，完成单体间的均衡。
相比于文献[44]中拓扑，文献[45]中拓扑增加了电压检测电路，每个均衡周期仅将高电量单体的电量转移至其他单体，减少了均衡过程对不需要均衡的单体的影响，使均衡更有针对性，同时提高了均衡效率。文献[46]提出了一种如图12所示的基于耦合电容器的均衡拓扑。
图12拓扑可实现均衡能量在任意单体间或相邻单体组成的电池模块间转移，无需进行电压监测，具有较高的均衡速度及效率，但该结构不便进行扩展，当电池组中单体数量变化时，耦合电容器需要重新设计。文献[47]中拓扑均衡路径设置与文献[46]中拓扑类似，通过将多个电容分层排列确保了任意一个均衡路径上均设置有一个单独电容，理论上具有更高的均衡速度与效率，但所需电容数量较多。
3.2.3 电感-电容型均衡拓扑
电感-电容型均衡拓扑将电感和电容共同作为均衡电路的储能元件，通过设计不同的变换器结构，实现均衡能量的转移。根据均衡原理的不同，可将其分为谐振型均衡电路与非谐振型均衡电路[48-50]。谐振型均衡电路利用电感电容的谐振效应，实现软开关功能，减少均衡过程的开关损耗。文献[51]提出一种基于电感电容的谐振型均衡电路，每节单体并联一个电感电容串联电路，利用电感电容间的谐振效应实现软开关技术，提高均衡速度，降低开关损耗。文献[52]中拓扑利用一个电感电容串联电路即实现了电池组内任意单体间的均衡，拓扑结构如图13所示。该拓扑均衡能量可在任意单体间转移，理论上具有更快的均衡速度及更高的均衡效率，但双向MOS管的使用对控制信号占空比精度的要求更高[6]。文献[53]中拓扑均衡原理与文献[52]类似，但需要的MOS管数量更多。
图12 文献[46]中拓扑
Fig.12 The topology in Ref.[46]
图13 文献[52]中拓扑
Fig.13 The topology in Ref.[52]
非谐振型电路相比于谐振型电路，其有效工作频率范围相对更大，通常是由电感电容元件依靠各自特性相互配合完成均衡工作。图14所示为文献[54]提出的电感电容型均衡拓扑，其利用电感电容组成Cuk变换器，每两节单体间连接一个变换器，实现均衡能量在相邻单体间转移。文献[55]同样使用Cuk变换器进行均衡，但将电感变为了耦合电感，器件数量显著减少。
图14 文献[54]中拓扑
Fig.14 The topology in Ref.[54]
文献[56]提出一种分层均衡电路，结构如图15所示，每两节单体间设置一个电感，进行相邻单体间均衡能量的转移，每两个电感间外部接有两个电容，负责相邻多节单体间均衡能量的转移。该拓扑克服了电容在均衡过程中充放电电流过大的问题，均衡速度也有所提高。
图15 文献[56]中拓扑
Fig.15 The topology in Ref.[56]
相比于文献[56]，文献[57]均衡原理与其一致，但通过使用耦合电感使电路更方便集成。文献[58-59]同样基于电感电容进行能量转移，电感电容型均衡拓扑能够充分利用电感、电容转移能量的特点，实现快速高效的均衡，是目前主动均衡拓扑的研究热点。电感电容型拓扑的不足体现在：①设计过程较复杂，设计不当可能导致均衡效率下降明显；②控制过程较复杂，实际均衡过程中，均衡对象及其一致性参数具有很强的随机性，控制信号占空比设计不当容易造成均衡不足或过均衡，甚至危及系统安全。
3.2.4 变压器型均衡拓扑
变压器型均衡拓扑将变压器作为储能器件，依据拓扑中变压器结构的不同，分为单绕组变压器型与多绕组变压器型[60-61]。
文献[62]提出一种多绕组变压器均衡拓扑，如图16所示。拓扑中变压器一次侧每个绕组通过MOS管与电池模块相连，二次绕组通过H桥连接在电池组正负极，通过控制各单体以及H桥上MOS管，实现不同位置单体与电池组间的能量转移。文献[63]中拓扑均衡能量同样是在单体与电池组间转移，相比于文献[62]使用了更少的MOS管，但其绕组数量显著增多。文献[64]中拓扑同样为多绕组结构，如图17所示。组内每两节单体配置一个绕组，再将所有绕组通过一个多绕组变压器耦合，在大量减少绕组数量的同时，实现了均衡能量在任意单体间的转移，不足之处在于均衡过程中所有单体都要受到均衡电流的影响。文献[65]中拓扑通过增加开关器件，实现了与文献[64]中相同的能量转移模式，同时降低了均衡过程对其他单体的影响。
图16 文献[62]中拓扑
Fig.16 The topology in Ref.[62]
图17 文献[64]中拓扑
Fig.17 The topology in Ref.[64]
变压器型均衡拓扑的优势在于均衡效率高、易隔离，然而绕组设计复杂，不同的电池组均衡需要定制不同的绕组结构，并且变压器能量转化过程存在尖峰电压，尖峰电压处置不当容易给均衡系统带来安全隐患。
3.2.5 混合型均衡拓扑
混合型均衡拓扑通常是将不同的储能元器件相结合进行均衡拓扑的设计[66]。文献[67]中混合型拓扑如图18所示，由多绕组变压器、Buck-Boost电路以及另外的电容组成，利用MOS管组成半桥电路减少绕组的使用数量，均衡过程中利用电容作为中间储能元件实现均衡能量在任意单体间或电池模块与单体间的转移。
图18 文献[67]中拓扑
Fig.18 The topology in Ref.[67]
文献[68]提出一种变压器与电感电容串联电路结合的均衡拓扑，每两节单体配置一个变压器，虽然谐振电路的引入保证了MOS管在零电流状态下导通关断，减少了均衡过程中的开关损耗，但需要的变压器及开关管数量较多。文献[69-70]中拓扑同样将变压器与电感电容谐振电路相结合，文献[69]中拓扑结构如图19所示，通过使用两对固定频率和占空比互补的PWM信号驱动MOS管，实现电池组和单体间的能量转移。
图19 文献[69]中拓扑
Fig.19 The topology in Ref.[69]
3.2.6 基于冗余思想的均衡拓扑
在串联电池组外设置一个单独的电池模块，令其与电池组中单体进行能量转移实现电池组整体的均衡，是基于冗余思想均衡拓扑的基本设计思路。文献[71-72]分别设计了基于冗余思想的均衡拓扑，其中文献[71]中拓扑如图20所示。该拓扑根据电池组中各单体的SOC，确定需要均衡的单体，将其与冗余电池并联，利用冗余电池使流经被均衡单体的充放电电流减小，进而实现电池组的均衡。
图20 文献[71]中拓扑
Fig.20 The topology in Ref.[71]
当电池组内需要均衡的单体数量较少时，冗余均衡具有更快的均衡速度；但当组内同时需要均衡的单体数较多时，冗余均衡容易导致均衡不足或均衡速度慢的现象。
3.2.7 基于电池组重构的均衡拓扑
基于电池组重构的均衡拓扑是将电池组放电过程中电量最低的单体暂时从整个电池组中去除，其他单体继续保持放电工作状态；当最低电量单体的电量与多数单体持平后，重新接入电池组继续工作，最终完成单体间电量的均衡[73]。电池组重构均衡的基本原理如图21所示[74]。
图21 电池组重构均衡基本原理
Fig.21 Basic principles of reconfiguration equalization
图21中，当某个单体电量较低时，利用与单体串联的MOS管将其从整个电池组断开，减缓其放电速度。文献[75]中拓扑将电池组划分为若干个电池模块，模块内采用电池组重构的方式进行单体间的均衡，发挥出重构型均衡成本低、效率高、控制简单的优势，模块间输出利用Buck-Boost变换器连接，可改善重构拓扑输出电压不稳定的问题，保持系统输出电压和功率稳定。
基于电池组重构的均衡拓扑控制过程简单，但其拓扑中每个单体串联了一个MOS管，不论电池组是否处于均衡过程，未被电池组断开的单体对应的MOS管的续流二极管都会对电池组的能量利用率产生不利影响。并且当组内同时均衡的单体数量较多时，电池组输出电压下降明显。
3.2.8 模块化分层均衡拓扑
模块化均衡拓扑是将电池组中所有单体划分为若干个模块，均衡过程分为模块内均衡与模块间均衡，其中模块内均衡往往允许多个模块同时均衡，进而获得整体均衡速度的提升[76-77]。文献[78]将三个单体作为一个模块构建了模块化均衡拓扑，拓扑结构如图22所示。
图22 文献[78]中拓扑
Fig.22 The topology in Ref.[78]
图22中拓扑，模块内每两节单体间设置一个电感，每两个模块间额外设置一个电感，整体均衡思路与文献[40]类似，但减少了拓扑中的电感数量。虽然模块化均衡拓扑结构稍显复杂，但其均衡速度有较为显著的优势，适合于包含单体数量较多的电池组的均衡。
均衡拓扑的评价指标主要包含拓扑成本及其均衡性能。本节对不同类型拓扑结构的成本及均衡性能进行对比分析。
3.3.1 均衡拓扑成本对比分析
均衡拓扑成本分析过程，以3.2节列举的典型拓扑为研究对象，所选拓扑为能够代表同类型拓扑的尽可能结构简单的拓扑，或最新发表的成果。参考文献[6, 23]设置拓扑中元器件单价，单位为美元，其中，MOSFET（M）为0.32$，整流二极管（VD）为0.03$，绕组（W）为0.2$，变压器磁心（T）为0.5$，电感（L）为0.25$，电容（C）为0.25$。为更清晰地表明拓扑成本随电池组单体数量变化而变化的趋势，本节分别计算了包含4单体、8单体和12单体的电池组均衡拓扑成本。成本计算结果如图23所示。
由图23分析可知，文献[24]中单电感储能均衡拓扑相比于多电感储能拓扑[38, 40]并无成本优势，说明基于电感储能的均衡拓扑并不能以电感数量评价拓扑成本；另外，基于电感储能的拓扑整体成本相较于其他类型较高。基于电容储能的拓扑，不论是单电容拓扑[43]还是多电容拓扑[44, 46]，均具有较高的拓扑成本，且随着电池组单体数量的增多，拓扑成本显著增加。电感电容型拓扑和变压器型拓扑虽然能量转移路径设计复杂，但通过合适的结构设计，可以实现较低的拓扑成本。
图23 均衡拓扑成本对比
Fig.23 Cost comparison for equalization topologies
总体而言，混合型拓扑、冗余型拓扑、重构型拓扑和模块化拓扑等近年来比较热门的拓扑均具有良好的成本表现，有可能成为未来主动均衡应用的优先选择。
3.3.2 均衡性能
均衡性能主要包括均衡速度、均衡效率、均衡能量转移方式、控制信号设计的复杂度和所需控制信号数量等。由于不同文献中实验对象不同、实验场景不同，且控制信号的设计均具有一定的冗余度，较难从定量的角度分析均衡性能，本节从定性的角度对均衡性能展开对比研究。通过3.2节对各类均衡拓扑的研究，总结各类均衡拓扑的特点见表2。
表2 均衡拓扑特点
Tab.2 Features of equalization topologies
类型特点 电感型优点：均衡电流可控，使得其均衡精度高不足：电路结构往往需要的开关管数量较多，控制复杂 电容型优点：电路体积小，控制简单，成本低不足：均衡速度及精度受电容自身与均衡目标间电压差影响较大，不适用于对均衡精度要求高的场合 电感电容型优点：非谐振型电路可结合电感电容特性，弥补电容均衡缺点，提高均衡精度；谐振型电路可利用电感电容的谐振效应，减少开关损耗不足：控制复杂，对控制信号精度要求高 变压器型优点：均衡速度快，易于隔离不足：电路成本高，设计复杂，且存在漏磁、尖峰电压 混合型优点：可利用不同储能元器件的特性进行能量转移，提高均衡速度及效率不足：结构及控制信号设计较复杂 冗余型优点：电池组包含单体数量较少时，均衡效率高、速度快，且可降低均衡过程对其余单体的影响不足：电池组包含单体数量较少时，不利于均衡拓扑成本的降低，包含单体数量较多时，均衡速度慢
（续）
类型特点 重构型优点：均衡过程对其余电池无影响，电池组包含单体数量较少时，均衡速度快且控制简单不足：电池组能量利用率低，均衡过程电池组整体的电压与功率输出易波动 模块化优点：均衡速度快，适合于包含大数量单体的电池组。不足：设计复杂，拓扑成本较高
具体而言，均衡速度主要和均衡能量转移方式、均衡电流流经的回路中耗能元器件的数量以及均衡能量是否流经不必要均衡的单体有关。例如，文献[24]中拓扑，虽然均衡电流流经两个二极管，但其均衡能量转移方式多样，可以直接在高电量和低电量单体间转移，也可以直接在包含不同数量单体的模块间转移，具有较为理想的均衡速度。文献[56]中拓扑均衡速度快的原因在于均衡电流只流经一个二极管，均衡能量利用率更高。
均衡效率主要和均衡电流流经的回路中包含的耗能器件种类及数量有关，耗能器件主要为开关管的续流二极管和不需要参与均衡的电池单体。
均衡能量转移方式[64,69]可分为单体对单体（Cell-to-Cell, C2C）、单体对模块（Cell-to-Moudle，C2M）、模块对模块（Moudle-to-Moudle, M2M）、多单体对多单体（Multi-Cell-to-Multi-Cell, MC2MC）。其中，在任意时刻，当均衡能量只能在单体和模块间转移时对应的均衡速度最慢，均衡能量在多单体和多单体间转移对应的均衡速度最快[78]。
均衡过程的任意时刻，控制信号设计的复杂度主要指控制信号占空比计算的复杂度和均衡路径切换过程对控制信号精度的要求。控制信号数量指的是任意均衡过程中，能量转移所需导通的开关管数量。
基于以上评价依据，不同类型拓扑的均衡性能对比结果见表3。由表3对比结果分析可知，电感型拓扑整体控制信号设计的复杂度较高，这与其均衡精度高相关。而电容型拓扑可以使得均衡能量转移方式多样，但其在控制信号设计复杂度和控制信号数量方面均无优势。电感电容型拓扑均衡效率较高，这与其可实现软开关功能有关。变压器型拓扑具有较为理想的均衡速度，但其控制信号设计较为复杂，这与其一次、二次绕组能量转化过程影响因素较多且各影响因素相互耦合有关。混合型拓扑相比于电感型拓扑、电容型拓扑和变压器型拓扑，除具有一定的成本优势外，均衡性能并不突出。冗余型拓扑可以实现均衡目标的直接充放电均衡，当电池组单体电池数量较少时具有较为理想的均衡速度，而当电池组单体电池数量较多导致均衡对象也较多时，均衡速度显著下降。重构型拓扑不需要储能元器件，可以直接使得均衡目标停止充放电，理论上具有较高的均衡速度，但其每个单体电池串联一个开关管，严重影响了整个电池组的输出电压及能量利用率，并且所需开关管控制信号数量较多。模块化拓扑通过将相邻单体分组，不仅降低了拓扑成本，同时也实现了良好的均衡性能指标，当电池组单体数量较多时，模块化均衡是均衡系统设计较为理想的选择。
表3 常见均衡方法的对比
Tab.3 Comparison of the common equalization methods
均衡方法均衡性能 均衡速度均衡效率能量转移方式控制信号设计复杂度控制信号数量 电感型拓扑单电感[24]EGESG 多电感[38]MMSME 多电感[40]GMSMG 电容型拓扑单电容[43]GGGSG 多电容[44]GMGPS 多电容[46]GGGSS 电感电容型拓扑谐振型[52]GGMSG 非谐振型[54]MGMGS 非谐振型[56]EGGSM 变压器型拓扑多绕组[62]GMMPM 多绕组[64]GGEMM 混合型拓扑[67]MMSGP 混合型拓扑[69]MSGMP 冗余型拓扑[71]GGGGG 重构型拓扑[74]GSEEP 模块化拓扑[76]GMGEM 模块化拓扑[77]GGMEG
通过对不同类型均衡拓扑的研究，被动均衡是电阻耗能式均衡，所消耗的能量都以热量的方式释放，电路简单，成本较低，适用于小容量、低串数的电池组均衡。主动均衡基于储能元器件进行能量转移，能量利用率相比被动均衡更高且发热少，同时均衡电流比较大，一般主动均衡电流可以达到1～2 A。主动均衡适合串数多、容量大的储能电池组应用。
结合主动均衡拓扑性能对比分析结果可知，针对电池储能系统单体数量众多的显著特点，未来均衡拓扑的设计思路主要为模块化分层均衡，通过将整个电池储能系统分为不同的电池模块，结合模块内的单体数量、电压等级，模块间的模块数量、电压等级，设计不同的均衡拓扑。另外，针对均衡拓扑的开关阵列，设计的主要原则不仅要求结构简单，还应要求控制简单，即应充分考虑开关阵列所需控制信号的数量、控制信号占空比的设计复杂度等；针对均衡拓扑的储能元器件，元器件数量应越少越好，并尽量避免非标准元器件的使用，比较理想的储能元器件为电感和电容，电感适合于模块内的高精度均衡，而电容适合于压差比较大的模块间均衡。
结构简单、功能完善的拓扑是可靠均衡的基础，而要想充分发挥均衡拓扑的功能，均衡控制是关键。均衡控制指基于选定的一致性参数，使用某种算法判定均衡目标、控制均衡能量的转移过程[8]。不同均衡控制方式往往基于不同的拓扑结构而设计。近年来，国内外学者提出了多种多样的、能量转移方式完善的均衡拓扑，对均衡控制也进行了较为广泛的研究[16, 18, 20]，图24所示为均衡控制方法的分类。
图24 均衡控制方法分类
Fig.24 Classification of equalization control methods
基于均衡目标判别的均衡控制主要通过比较各单体电池间或电池模块间一致性参数的差异确定均衡对象。依据均衡过程每个开关周期内均衡目标所对应的单体数量是否变化，可将基于均衡目标判别的均衡控制分为“单对单”和“多对多”均衡控制。其中，“单对单”均衡控制任意时刻均衡能量可以在单体与单体之间、包含固定单体数量的电池模块与单体间、包含固定单体数量的电池模块间转移，每个开关周期内均衡对象包含的单体数不变；“多对多”均衡控制任意时刻均衡能量可以在不相邻的多个单体与多个单体间转移，每个开关周期内均衡对象包含的单体数可能发生变化。
4.1.1 “单对单”均衡控制
“单对单”均衡分为基于极差的“单对单”均衡、基于一致性参数分布的“单对单”均衡。
1）基于极差的“单对单”均衡控制
基于组内各单体一致性参数的极差判别均衡对象是目前最常见的“单对单”均衡控制。以SOC均衡为例，通过比较最大SOC、最小SOC、电池组平均SOC之间的差异，确定均衡对象[28, 40, 79]。基于极差的“单对单”均衡控制最大的优势在于均衡对象判别简单，但也有明显的缺点：当电池组内单体数量较多时，拥有最大SOC和最小SOC的单体数量也随之增加，导致较难通过极差判别最优均衡对象。
2）基于一致性参数分布的“单对单”均衡控制
基于一致性参数分布的“单对单”均衡控制通过比较组内所有单体一致性参数的分布情况，确定最优均衡对象，包括基于均衡能量转移路径优化的均衡控制和基于聚类分析的“单对单”均衡控制。
（1）基于均衡能量转移路径优化的均衡控制
基于能量转移路径优化的均衡控制指的是利用先进寻优算法寻找最优均衡目标的均衡控制方法。
文献[80]通过建立基于共识的随机控制算法实现SOC均衡，即使SOC估计受到严重的噪声干扰，也能保证理想的均衡效果。文献[81]通过粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法对各单体的均衡路径进行优化，以提高均衡效率及速度，并避免过均衡。文献[82]从176个单体中，分别选取22个具备较大电压和较小电压的单体作为均衡对象，实现高电压单体和低电压单体的成对均衡。能量转移路径优化的均衡控制方法从寻找最优均衡目标的角度提高了均衡速度及效率，但并未改变均衡能量的转移方式，同时先进控制算法的应用也导致了控制器运算负荷的显著增加。总体而言，能量转移路径优化的均衡控制方法与常见的基于极差直接判定均衡对象的控制方法相比，对均衡速度及效率提高的效果有限。
（2）基于聚类分组的单对单均衡控制
基于聚类分组的单对单均衡控制通过将整个电池组一致性参数划分为不同的类别，以确定均衡对象[83-84]。文献[83]以SOC作为一致性参数，通过将电池组分为两类来明确所需要均衡的电池单体；文献[84]同样以SOC作为一致性参数，将电池组的所有单体电池分为三类，以确定需要均衡的单体及相应的充放电均衡策略。当电池组内单体数量较多时，基于聚类分析的单对单均衡控制能够快速明确需要均衡的单体电池，但任意时刻均衡能量仍只是在单体电池间转移，限制了均衡速度及效率的进一步提升。
4.1.2 “多对多”均衡控制
虽然“单对单”均衡控制基于不同的算法优化了均衡能量转移路径，但任意时刻，均衡能量仍然是在单体电池之间或固定电池模块之间转移，忽视了一致性差异较小的不同个数的单体可以作为电池群组同时参与均衡的可能，进而导致均衡效率低、均衡速度慢。“多对多”均衡控制，能够实现任意时刻，多个单体同时参与均衡，理论上具有更快的均衡速度及更高的均衡效率。常见的“多对多”均衡控制包括模块化分层均衡控制和基于聚类分组的群组均衡控制。
1）模块化分层均衡控制
模块化分层均衡控制的核心是模块化均衡拓扑，通过将整个电池组分为若干个模块，基于模块内和模块间的均衡实现任意时刻多个单体同时参与均衡，提高电池组的均衡速度[91]。
文献[85]针对16节单体组成的串联电池组，按照序号设每相邻两节单体构成的一个组为第一层，每相邻两个第一层构成的整体为第二层，每相邻两个第二层构成的整体为第三层，每层间相邻的两个整体相互均衡，每层间的均衡各自设置启动阈值，互不影响。实验表明，三个分层均衡同时工作时，相比于单层均衡，各种工作状态下均衡速度及效率均有提高。文献[86]将电池组整体分为底层和顶层，底层将一个串联电池组抽象看成两个串联电池组，对比两组间的平均SOC，平均SOC高的一组向另一组进行能量转移，顶层模块通过比较各底层模块的平均SOC进行均衡对象判断，两层均衡互不影响且能够单独进行均衡。另外，文献[35, 40, 78, 87, 92-93]同样基于模块化的分层均衡拓扑实现了分层均衡控制。分层均衡控制较为显著的优点是均衡速度快，但在其均衡效率及控制简单化方面并无优势。
2）基于聚类分析的群组均衡控制
基于聚类分析的群组均衡控制在不改变均衡拓扑的前提下，通过引入聚类算法实现组内多单体同时均衡，理论上具有更快的均衡速度及效率。
文献[88]提出一种多阈值自适应聚类群组均衡控制方法，在引入自适应聚类均衡思想的同时，基于一致性差异较小的相邻单体建立群组均衡控制方法，实现均衡能量在包含不同个数相邻单体的电池群组间转移，对于组内单体SOC不同的分布情况，均衡速度相比于基于极差的“单对单”均衡控制均有明显提高。文献[17, 89]分别采用K-Means聚类算法和基于密度带噪声的空间聚类（Density Based Spatial Clustering of Applications with Noise, DBSCAN）算法对组内单体进行分类，通过对组内不相邻的单体优先进行均衡，再对电池组内部电池模块进行均衡，实现电池组的高效快速均衡。基于聚类分析的群组均衡控制能够在既有的硬件条件的基础上，实现组内多个单体的快速均衡，具有较为显著的速度及效率优势。
基于均衡能量转移形式设计的均衡控制包括定电流均衡控制和变电流均衡控制。
4.2.1 定电流均衡控制
定电流均衡控制分为两类：一类是每个采样周期内，开关管控制信号占空比一定，使得每个开关周期内最大均衡电流维持不变；另一类为每个均衡周期内，均衡电流基本维持恒定，实现恒流均衡[69-70]。定电流均衡控制是目前最常见的均衡控制方法。文献[48]使用的即是定电流均衡控制方法，在每个采样周期中，将电池组各单体电量由高到低排序，最高电量单体与最低电量单体间进行均衡，各采样周期控制信号占空比不变，并更新各单体电量，重复前述步骤，直至所有单体极差不满足均衡条件，均衡停止。文献[78]与文献[48]相似，在电池组各单体极差大于设定阈值时启动均衡电路，不满足则均衡停止。定电流均衡控制的显著优势在于控制程序设计简单、控制过程可靠。不足在于：不能根据电池组充放电电流大小和初始一致性差异来调节均衡力度。电池组实际工作过程中，若充放电电流较大或初始一致性差异较大，而均衡电流较小，则可能导致电池组不能及时均衡，甚至有可能使电池组均衡的速度小于一致性差异扩大的速度，无均衡效果；若充放电电流较小或初始一致性差异较小，而均衡电流较大，则可能导致过均衡，影响均衡速度或均衡效率，甚至有可能增加一致性差异扩大的速度。
4.2.2 变电流均衡控制
变电流均衡控制即在每个采样周期中，基于电池组充放电电流和初始一致性差异调节均衡电流的大小，提高均衡效果。针对定电流均衡的不足，也有文献对变电流均衡控制方法展开研究。
文献[79]通过评价参与均衡的两个单体之间的SOC差异，以及参与均衡的两个单体电池与电池组平均SOC之间的差异，对均衡电流进行动态调整。当二者均较大时，需要较大的均衡电流来减少均衡时间、提高均衡速率；当二者均较小时，则设置较小的均衡电流来防止电池过充电和过放电，并保证电池安全。文献[90]以电压作为均衡指标，根据均衡目标电压差的大小，基于模糊控制进行均衡电流的调节，当电压差较大时，选择较大的均衡电流以加速均衡速度；当电压差减小时，均衡电流跟随电压差的变化也减小，直至减小到零，实现电池组的均衡。文献[41]中控制方法与文献[79]相似，但其通过设计模糊逻辑控制策略，对均衡电流进行动态调整。实验结果表明，该控制方法相比于定电流均衡具有更快的均衡速度和更高的均衡效率。文献[94]围绕马斯定律最优充电曲线对当前SOC条件下电池单体能承受的最大电流进行研究，提出一种变电流均衡控制方法。首先选取SOC最低的串联电池组，设定均衡目标值并计算该电池组达到均衡目标所需动态时间，之后通过所需时间计算其余各串联电池组的均衡电流。经实验验证，各电池组均衡电流符合预期，其SOC极差在充电状态下逐步减小。
变电流均衡控制方法能够提供可靠的均衡效果，但存在计算量大、控制复杂的问题，对主控制器的性能要求较高。
4.3.1 均衡控制方法对比分析
对于电池储能系统而言，其显著特点是单体数量较多，本节针对电池组包含电池单体数量较多时的均衡控制方法进行对比分析。分析指标主要包含均衡速度、均衡效率、计算负荷、应用现状、对不同均衡拓扑的适用性和应用前景等。均衡速度和效率的评价依据为均衡能量的转移方式；计算负荷评价依据为控制算法的计算量；应用现状评价依据为文献调查和主流厂商产品调查；对不同均衡拓扑适用性指的是，当拓扑结构为不同类型拓扑时，控制方法是否仍然适用；通过分析不同控制方式的优缺点，对应用前景展开评价。不同均衡控制方法对比结果如图25所示，各评价结果的含义与前文一致。
由图25分析可知，当电池组单体数量较多时，单对单均衡控制的均衡速度及效率表现一般，基于极差的单对单均衡控制由于程序设计简单，目前大多数产品基于极差进行均衡控制设计。受限于均衡速度及效率，单对单均衡控制适用于低串数的电池组均衡，对于电池储能系统而言，应用前景一般。
图25 均衡控制方法对比
Fig.25 Comparison of equalization control methods
模块化均衡和群组均衡具有较为显著的速度优势。其中，模块化均衡更依赖拓扑结构设计，计算负荷适中，对不同拓扑结构的适用性较强，可以基于电感设计模块化拓扑，也可以基于电容、变压器等设计模块化拓扑；虽然目前应用程度一般，但随着半导体器件的发展，其具有广阔的应用前景。群组均衡主要将一致性差异较小的相邻单体聚类成组进行均衡，更依赖控制程序设计，计算负荷高于模块化均衡；群组均衡不同的均衡过程，参与均衡的单体数量可能发生变化，导致群组均衡只能基于开关信号占空比具有较高冗余度的拓扑进行设计，对不同拓扑结构的适用性不及模块化均衡；目前未见相关应用的报道，应用前景不及模块化均衡控制。
定电流和变电流均衡控制相比，理论上，变电流均衡控制能够跟踪电池组负载变化和一致性差异变化，避免均衡不足或过均衡，具有更快的均衡速度，但其计算负荷表现不及基础的定电流均衡控制。定电流均衡控制以其程序设计简单的优势成为目前主流厂商和众多学者设计均衡控制策略时的首选，但随着控制器制造技术的快速发展，具有均衡性能优势显著的变电流均衡控制具有更好的应用前景。
4.3.2 均衡控制方法发展趋势分析
基于上述均衡控制方法综述，结合电池储能系统单体数量众多的特点，针对基于均衡目标判别的均衡控制，未来研究重点在于：①基于模块化均衡拓扑设计分层均衡控制，通过电池组不同层级的均衡实现整个电池组的快速均衡，但电池组分层数量不宜过多，以免增加控制复杂度；②基于聚类分析实现包含不同个数相邻单体的群组均衡，提高均衡速度及效率。针对基于均衡能量转移方式的均衡控制，未来研究重点将是通过分析一致性参数差异程度及负载电流大小实现变电流均衡，提高均衡的可靠性。总体而言，智能化均衡是未来均衡控制的发展趋势，智能化包括均衡对象选择的智能化和均衡电流设计的智能化。
随着电池储能系统的快速发展，能够改善电池储能系统一致性差异的均衡方法研究也取得了显著成果。本文全面地综述了电池储能系统均衡方法的研究进展。
首先，分析了电池串并联的特点及均衡的必要性，结果表明串联电池组的均衡具有较为显著的必要性；并联电池组自身具有一定的自均衡能力，对其增加外部均衡的必要性一般，但应用过程需重点关注其短路故障。
其次，对均衡变量、均衡拓扑、均衡控制方法的研究进行了详细的综述及展望。
1）对于均衡变量的研究，多变量均衡可以从不同角度表现组内单体的一致性差异，未来有望成为均衡变量研究的热点，尤其是以温度、高精度SOC和电压共同作为均衡变量，既可以保证储能系统能量利用率，又可以确保其安全性。
2）对于均衡拓扑的研究，电感均衡能够实现高精度均衡，当均衡目标电压差异较大时，电容均衡能够实现快速均衡，并且电感、电容标准件规格的多样化程度显著高于变压器，因此，结合电感电容储能的特点，基于电感电容储能，结构简单、功能完善的均衡拓扑有望成为未来均衡拓扑研究的热点。另外，针对电池储能系统单体数量众多的特点，基于电感电容储能的模块化均衡拓扑也是均衡拓扑设计的一个热点方向。
3）对于均衡控制的研究，智能化均衡有望成为未来均衡控制的研究热点，智能化包含均衡对象选择的智能化和均衡电流设计的智能化，均衡对象选择的智能化体现在可以同时选择多个一致性差异较小的相邻电池单体构成电池群组同时参与均衡，在既有硬件基础上提高均衡速度及效率；均衡电流设计的智能化体现在可以根据一致性差异和负载电流的大小智能地设计均衡电流，在避免均衡不足和过均衡的同时，提高均衡速度及效率。
本文关于电池储能系统均衡方法的分析与综述不仅对均衡方法的研究现状进行了系统性的梳理，而且针对大数量电池组的新型均衡方法的发展方向提出了展望，有利于未来电池储能系统新型主动均衡方法的创新及突破。
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Abstract Battery energy storage system (BESS) is characterized by a large number of cells, and in practice, even if the consistency of the initial performance of cells is guaranteed, the consistency difference will occur due to different use conditions and environments. In order to reduce the difference in consistency between the cells within a BESS, a reliable equalization method must be established to improve its energy utilization and safety.
Through the analysis of the current research status of the review of BESS equalization methods, more scholars have organized the equalization topologies, which are limited to the topologies based on energy storage devices such as inductors and capacitors. There is less organization of topologies based on redundancy ideas, topologies based on battery pack reconfiguration, and modular topologies, which have developed more rapidly in recent years. At the same time, the equalization necessity of series and parallel battery pack, equalization variables and equalization control methods are less organized and reviewed.The article provides a systematic overview of research on equalization methods for BESS, with key contributions described below.
For the study of equalization variables, multivariate equalization can show the consistency difference of cells from different perspectives, and it is expected to become a hot spot of equalization variable research in the future. Especially, temperature, high-precision SOC and voltage are jointly used as equalization variables, which can ensure the energy utilization of the BESS as well as its safety.
For the study of equalization topology, first of all, inductive equalization can realize high-precision equalization, and capacitive equalization can realize fast equalization when the voltage difference of equalization objects is large. Therefore, combined with the characteristics of inductive and capacitive energy storage, the equalization topologies based on inductive-capacitive energy storage with simple structure and perfect function are expected to be the hotspot of equalization topology research in the future. In addition, the modular equalization topology based on inductive-capacitive energy storage is also a hot direction in the research of equalization topology for the large number of cells in the BESS.
For the research of equalization control methods, intelligent equalization is expected to become the hotspot of equalization control research in the future. Intelligent equalization includes intelligent selection of equalization objects and intelligent design of equalization currents. Intelligent selection of equalization objects is reflected in the simultaneous selection of multiple adjacent cells with smaller consistency differences to form a battery group to participate in equalization at the same time, which improves the speed and efficiency of equalization on the basis of the existing hardware. The intelligence of equalization current design is reflected in the fact that the equalization current can be intelligently designed according to the consistency difference and the load current, avoiding under-equalization and over-equalization, and at the same time, improving the speed and efficiency of equalization.
The analysis and review of the equalization methods for BESS in this article provide a systematic overview of the current state of research on equalization methods. Moreover, a reliable outlook on the direction of the development of new equalization methods for battery packs containing a large number of cells is presented. The review is conducive to innovations and breakthroughs in novel active equalization methods for future BESS.
keywords：Battery energy storage, equalization variables, equalization topologies, equalization control, review
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230684
中图分类号：TM912
国家自然科学基金项目（61973105）、河南省高校基本科研业务费（NSFRF210332, NSFRF230604）、河南省高校重点科研项目（23A470006）和河南省科技攻关项目（232102240078）资助。
收稿日期 2023-05-16
改稿日期 2023-07-18
郭向伟 男，1987年生，副教授，硕士生导师，研究方向为电力电子及其在电池管理系统中的应用。E-mail：gxw@hpu.edu.cn（通信作者）
王 晨 男，1999年生，硕士研究生，研究方向为电池管理系统。E-mail：wang954207@163.com
（编辑 郭丽军）