随着储能技术的发展,储能电池和超级电容等储能单元被广泛应用于各种场合,如电动汽车和可再生能源系统等。然而,储能电池/超级电容(为方便表述,以下将储能电池或超级电容统称为电池)的单体电压较低,不能直接用于需要高压输出的应用场合。其通常需要串联成组使用,以提供高压输出。由于在制造和使用过程中各单体电池内阻、漏电流和温度等特性的差异,电池组中各电池单体间存在着个体性能差异,这种差异在电池组使用过程中被不断放大,具体表现为使用过程中出现的单体电池过充和过放现象,并最终导致电池组整体性能急剧下降、循环寿命缩短。因此,电池组在使用过程中需加入电池均衡电路以延长电池使用寿命。本文致力于解决电池组中的电池单体性能不均衡问题,研究具有均衡速度快、模块化能力强、结构及控制简单的电池均衡电路。随着电力电子技术的发展,能耗型被动均衡方法正在逐渐淘汰,各类主动均衡电路已成为国内外研究的热点。根据电路结构,主动均衡电路可分为集中式、分布式和集散式三种。传统集中式电池均衡电路多由耦合电感或多绕组变压器组成,体积大、不易扩展、均衡精度低;而分布式均衡电路存在元件多、成本高等问题。本文提出了一种单电感双向电池均衡电路,该均衡电路采用Buck-Boost变换器与开关矩阵相结合的方式实现对整个电池组的均衡,通过对电感的分时复用实现对每一个电池独立均衡控制。均衡电路中电感电流工作于断续模式,消除了各电池之间的交叉影响。本文研究了该均衡电路的工作模式和控制策略,实现了电池单体间的双向、高效、快速能量转移。相对于集中式和分布式均衡器,减少了电路元件,降低了均衡器体积和成本。由单电感双向电池均衡电路研究可知,尽管主动均衡电路应用广泛,但大多主动均衡电路基于大量开关器件或多绕组变压器实现,且开关器件数量(或变压器副边绕组数量)与电池单体数量成比例变化,因此传统均衡电路存在电路结构复杂、体积大、控制复杂及扩展能力差等问题。为进一步减少开关数量或去除多绕组变压器结构,已有文献基于半波倍压整流电路(Half wave voltage multiplier,HW-VM),提出单开关充电均衡电路及双开关充放电均衡电路,降低了开关数量,简化了电路结构,降低了成本。但HW-VM型均衡电路存在着均衡速度慢及均衡损耗大等问题。在上述分析基础上,本文提出了基于全波倍压整流(Full wave voltage multiplier,FW-VM)结构的非隔离两开关均衡电路。研究结果表明本文所提非隔离两开关均衡电路,仅需要两个主动开关管及两个磁性元件,实现了高效率能量转移的同时,简化了电路形式。此外,该均衡电路可实现开环工作且所有开关均实现了ZVS导通,具有控制简单、均衡效率高、均衡速度快及易于扩展等优点。为进一步加快均衡速度、降低均衡损耗,同时提高均衡精度,本文在single-SEPIC FW-VM基础上提出并研究了double-Cuk FW-VM均衡电路。该均衡电路前级由两个双向Cuk变换器演变获得,后级采用全波倍压整流电路结构。研究结果表明:double-Cuk FW-VM实现了高精度均衡,且降低了电池内阻和电池数量对均衡精度的影响,此外该电路保证每个电池单体均对应独立的最短均衡回路,缩短了均衡能量流动路径,实现了电池组到电池单体的直接能量转移,降低了均衡损耗,提高了均衡速度。尽管该均衡工作于开环状态,但其特有的限流特性可有效控制均衡电流在安全范围之内,提高了均衡安全性。在很多高压应用场合,需将多组电池串联使用。与电池单体间的电压失衡相比,电池组与组之间的性能差异较大,电压失衡更为严重。为既实现电池组与组之间的均衡,同时又实现电池组内各电池单体的均衡,传统均衡方式通常需要用两组均衡系统,分别实现电池组-组均衡及单体-单体均衡,均衡效率低且电路结构复杂。考虑到电路结构及控制复杂度、成本及电路体积等问题,本文在double-Cuk FW-VM基础上,提出了高效率两开关电池单体/电池组混合均衡电路。阐述了所提电路均衡原理并分析了其均衡特性。研究结果表明:本文所提电路,以简单的电路形式实现了高效率电池单体/电池组混合均衡,且具有均衡速度快、元件数量少等优点。本文建立了相应的仿真和实验平台,同时进行了样机验证。仿真及实验结果很好地验证了本文理论分析的正确性。