鋰離子電池組均衡拓撲結(jié)構(gòu)現(xiàn)況分析

摘 要：高效的電池均衡管理技術(shù)是提升鋰離子電池性能、保障安全的關(guān)鍵。本文全面闡述了鋰離子電池組均衡拓撲結(jié)構(gòu)的研究進程。深入解析了電阻式、電容式、電感式、變壓器式以及變換器式等均衡拓撲結(jié)構(gòu)的基本工作原理，重點分析各類拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣及工況影響，并指出未來優(yōu)化方向，為鋰離子電池組均衡管理技術(shù)持續(xù)發(fā)展提供價值參考。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 被動均衡 主動均衡 均衡拓撲結(jié)構(gòu) 電池均衡管理技術(shù)

電池在電動交通、儲能及可再生能源中至關(guān)重要，鋰離子電池憑借自放電率低、能量密度高等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。但電池間的不一致性問題影響整體性能[1]。為此，需要嚴控生產(chǎn)加工程序，并實施電池均衡管理技術(shù)。

電池均衡管理技術(shù)確保電池組內(nèi)單體電池一致性，對電池管理系統(tǒng)至關(guān)重要[2]。該技術(shù)涵蓋均衡策略和均衡拓撲結(jié)構(gòu)兩大方向，其中均衡拓撲為核心，影響能量耗散/轉(zhuǎn)移及均衡結(jié)果。當(dāng)前研究重心在于對現(xiàn)有均衡拓撲結(jié)構(gòu)的改良與優(yōu)化[3]，旨在提高均衡速度與能量利用效率，同時降低系統(tǒng)體積和成本，以預(yù)防過充過放、延長壽命并保障電池安全穩(wěn)定運行。

1 電池均衡管理系統(tǒng)

1.1 電池均衡管理系統(tǒng)簡介

鋰離子電池組在充放電時易因特性差異導(dǎo)致電壓和容量不平衡，影響性能和安全性。電池均衡管理系統(tǒng)通過監(jiān)控管理電池組狀態(tài)，確保能量均衡分布，提升性能和壽命[4]。均衡技術(shù)已從被動均衡發(fā)展到高效精準(zhǔn)的主動均衡，利用DC/DC轉(zhuǎn)換器、電容等實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，提高利用率，延長壽命。均衡策略和均衡拓撲結(jié)構(gòu)是均衡管理的關(guān)鍵，前者依賴算法調(diào)控，后者構(gòu)建電流路徑，共同保障電池組安全穩(wěn)定運行和性能優(yōu)化。

1.2 均衡策略

均衡策略決定均衡操作方式與時機，常見有基于電壓、容量和SOC的策略。電壓策略調(diào)整電壓實現(xiàn)均衡；容量策略追求整體容量最大化，但不適于動態(tài)條件；SOC策略以各電池SOC為標(biāo)準(zhǔn)，提高容量利用率，只需測SOC，不考慮單體容量，實用性強。

1.3 均衡拓撲結(jié)構(gòu)

電池均衡結(jié)構(gòu)分為被動均衡和主動均衡兩類。被動均衡將多余能量轉(zhuǎn)為熱量散失，為能耗型均衡。被動均衡分為固定分流電阻和開關(guān)分流電阻兩類[5]，其均衡電流小但能耗大，可能引發(fā)熱效應(yīng)。但因其成本低、體積小、控制簡等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應(yīng)用，成為常用均衡形式之一。主動均衡通過儲能元件實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，為非能耗型均衡，包括電容式、電感式、變壓器式和變換器式四種拓撲結(jié)構(gòu)。主動均衡因其高效、快速均衡和減少能量損失等優(yōu)點成為當(dāng)前研究熱點。

2 主動均衡拓撲結(jié)構(gòu)

主動均衡是借助儲能元件實現(xiàn)電池間的能量轉(zhuǎn)移，基本上能夠滿足高效、快速均衡和減少能量損失的需求。然而，其集成化后的體積大、高成本、復(fù)雜控制策略等難題有待解決。如圖1所示為常見主動均衡拓撲結(jié)構(gòu)。

2.1 電容式均衡

電容式均衡利用電容器儲能，將多余能量暫存，通過調(diào)整開關(guān)實現(xiàn)電池間能量轉(zhuǎn)移，分為單開關(guān)和多開關(guān)結(jié)構(gòu)。

單開關(guān)電容均衡結(jié)構(gòu)[6]利用單一電容器實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。該結(jié)構(gòu)控制邏輯簡單且成本低，但一次操作僅限一對電池，均衡過程緩慢且效率低，尤其在長電池串中。為改進此局限，多開關(guān)電容均衡結(jié)構(gòu)[7]通過增加開關(guān)和電容器配置，如圖1（a）所示。該結(jié)構(gòu)允許同時處理多對電池間的能量均衡，顯著提高了速度和效率。然而，它通常僅使用一層電容器在相鄰電池間交換能量，導(dǎo)致電荷傳輸需經(jīng)過每個電池，增加了充放電次數(shù)，可能影響電池健康狀態(tài)。

針對開關(guān)電容均衡結(jié)構(gòu)，改進方向包括：增加開關(guān)或電容數(shù)量以加速能量流動，實現(xiàn)快速均衡；改變電容器連接方式，使電池間直接傳遞能量，減少能量損失，提高均衡效率。

學(xué)者提出開關(guān)電容鏈結(jié)構(gòu)[8]，其通過構(gòu)建額外能量交換通道，實現(xiàn)電池組中頂部與底部電池的直接能量轉(zhuǎn)移，提升均衡效率，但額外開關(guān)需承受整個電池串聯(lián)總電壓，限制了其在大型電池組的應(yīng)用。為解決此問題，科研人員設(shè)計了開關(guān)電容平行結(jié)構(gòu)[9]。旨在降低開關(guān)承受的電壓和電流應(yīng)力，同時保持高效均衡性能。該平行結(jié)構(gòu)均衡器的均衡速度和效率不受電池數(shù)量及初始電壓分布的影響，為大型電池組均衡提供了新的解決方案。

2.2 電感式均衡

電感式均衡利用電感傳輸能量，實現(xiàn)電池單體間能量重分配，適用于電壓差異小的場景。根據(jù)電感數(shù)量，分為單開關(guān)和多開關(guān)電感均衡結(jié)構(gòu)。

單電感均衡器[10]使用2n個開關(guān)來均衡n個電池單元。該均衡器的控制系統(tǒng)會檢測每個電池單元的電壓，然后根據(jù)最高電壓差選擇兩個電池，通過電感器進行能量傳遞，直至完全均衡。單電感均衡器具有均衡效果好、能量利用率高、成本低、易于擴展和控制簡單等優(yōu)點。然而，它的均衡速度受電壓壓差影響。當(dāng)單體間電壓壓差較小時，均衡速度會降低。

多開關(guān)電感均衡器[11]采用n-1個電感均衡n個電池單元，相比單電感均衡器減少了開關(guān)數(shù)量，實現(xiàn)了緊湊集成，利于空間高效部署，如圖1（b）所示。然而，其操作耗時較長，因為能量需依次通過各個電感傳輸，從首個電池單元傳遞至最后一個電池單元時，整體傳輸時間增加。這一缺點限制了其在需要快速均衡的應(yīng)用場景中的表現(xiàn)。

2.3 變壓器式均衡

變壓器式均衡高效隔離，靈活調(diào)配電池能量，通過繞組存儲、傳遞并釋放能量實現(xiàn)平衡。變壓器式均衡分為單繞組、同軸多繞組均衡。

單繞組變壓器均衡[12]利用一個或多個單繞組變壓器連接電池單元，通過開關(guān)電路形成能量轉(zhuǎn)移路徑。當(dāng)電池單元電壓失衡時，控制系統(tǒng)激活開關(guān)，利用變壓器實現(xiàn)能量在電池單元間的轉(zhuǎn)移，達到均衡目的。然而，該系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)移路徑相對單一，可能無法實現(xiàn)電池組內(nèi)所有單元間的完全均衡，限制了其均衡效果。

同軸多繞組變壓器均衡器[13]由磁芯、初級繞組及多個匝數(shù)相同的次級繞組構(gòu)成，確保能量均勻傳遞，如圖1（c）所示。工作時，串聯(lián)電池組向初級繞組供能，通過變壓器傳遞至次級繞組，為各電池等壓充電，低壓電池獲能更多，實現(xiàn)均衡。該均衡器具有開關(guān)數(shù)量少、均衡速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，適用于中等長度電池組。然而，其擴展性受限、設(shè)計復(fù)雜、維修成本高，是實際應(yīng)用中的顯著挑戰(zhàn)。

2.4 變換器式均衡

變換器式均衡，采用DC/DC變流電路實現(xiàn)電池單體間的能量轉(zhuǎn)移與均衡。該技術(shù)憑借儲能元件，展現(xiàn)出高性能與高度集成的特點，顯著提升了電池組的整體效能及壽命。變換器式均衡分為非隔離型與隔離型結(jié)構(gòu)。

Cuk式拓撲結(jié)構(gòu)[14]在電池均衡系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向傳遞，如圖1（d）所示。但存在局限性，能量僅能在相鄰電池單體間傳遞，對開關(guān)控制精度要求高，元器件數(shù)量多導(dǎo)致成本上升。為克服這些限制，研究者設(shè)計了多路輸入Cuk變換器[15]。該設(shè)計減少了元器件數(shù)量，降低了電路復(fù)雜性和成本，同時允許電池單體電流根據(jù)端電壓自調(diào)整，避免了不必要的能量損失，提升了電路能效。

有學(xué)者基于Boost電路提出了一種均衡拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1（e）所示。該結(jié)構(gòu)通過精確控制開關(guān)，實現(xiàn)了高能量電池向并聯(lián)電感儲存電能，并在適當(dāng)時機通過續(xù)流二極管將電能向上游低能量電池轉(zhuǎn)移，從而高效均衡電池組內(nèi)的能量。然而，該設(shè)計存在元器件較多且均衡電流方向受限的問題。為解決這些問題，有學(xué)者進一步提出了將Buck-Boost電路與Cuk電路組合的方案，如圖1（f）所示。該結(jié)構(gòu)減少元件數(shù)量與成本，同時提升電路的靈活性和故障處理能力。

3 均衡拓撲結(jié)構(gòu)比較及分析

3.1 基本均衡拓撲比較

均衡拓撲結(jié)構(gòu)在電池均衡技術(shù)中至關(guān)重要。被動均衡設(shè)計簡單、成本低，但能量利用率低、均衡電流小。主動均衡效率高、靈活性強，但面臨電壓差限、電路復(fù)雜、成本高昂等挑戰(zhàn)。各均衡拓撲特征對比如表1所示，選擇時需綜合考慮應(yīng)用場景、成本、效率和控制復(fù)雜度。應(yīng)選擇合適結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮優(yōu)點，克服局限，實現(xiàn)更高效、經(jīng)濟、易控制的電池均衡，滿足多樣化需求。

3.2 均衡拓撲設(shè)計及改進思路

在設(shè)計和改進均衡拓撲時，需權(quán)衡被動均衡與主動均衡的利弊。被動均衡結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但能量利用率低、均衡速度慢；主動均衡則速度快、效率高，但設(shè)計復(fù)雜。為改進均衡拓撲設(shè)計，可從以下方面著手：（1）優(yōu)化儲能元件和均衡策略，減少能量損耗，提高速度和效率；（2）選用低成本、易控制的元件，簡化電路結(jié)構(gòu)，降低成本和復(fù)雜度；（3）通過冗余設(shè)計、改進控制策略等增強系統(tǒng)可靠性；（4）采用模塊化設(shè)計，便于擴展和維護。均衡拓撲設(shè)計應(yīng)綜合考慮速度、效率、成本、復(fù)雜度、可靠性和模塊化等多個方面，以滿足不同應(yīng)用場景需求，實現(xiàn)電池組高效、穩(wěn)定、可靠運行。

4 結(jié)論

鋰離子電池組單體間不一致性會影響整個電池組的性能和壽命。目前，研究人員已探索出多種電池均衡方法，包括電阻式、電容式、電感式、變壓器式和變換器式等。電阻式均衡簡單但損失大、速度慢；電容式、電感式速度快、利用率高，但控制復(fù)雜；變壓器式、變換器式可精確轉(zhuǎn)移能量，但成本高、體積大、控制復(fù)雜。選擇均衡結(jié)構(gòu)需綜合考慮速度、效率、成本、復(fù)雜度、可靠性和模塊化設(shè)計等因素，以滿足不同需求。合理選擇均衡方法可提高電池組一致性，延長壽命，確保高效穩(wěn)定運行。

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