鋰離子電池組均衡拓撲結構現況分析

摘 要：高效的電池均衡管理技術是提升鋰離子電池性能、保障安全的關鍵。本文全面闡述了鋰離子電池組均衡拓撲結構的研究進程。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構的基本工作原理，重點分析各類拓撲結構的優劣及工況影響，并指出未來優化方向，為鋰離子電池組均衡管理技術持續發展提供價值參考。

關鍵詞：鋰離子電池 被動均衡 主動均衡 均衡拓撲結構 電池均衡管理技術

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

電池均衡管理技術確保電池組內單體電池一致性，對電池管理系統至關重要[2]。該技術涵蓋均衡策略和均衡拓撲結構兩大方向，其中均衡拓撲為核心，影響能量耗散/轉移及均衡結果。當前研究重心在于對現有均衡拓撲結構的改良與優化[3]，旨在提高均衡速度與能量利用效率，同時降低系統體積和成本，以預防過充過放、延長壽命并保障電池安全穩定運行。

1 電池均衡管理系統

1.1 電池均衡管理系統簡介

鋰離子電池組在充放電時易因特性差異導致電壓和容量不平衡，影響性能和安全性。電池均衡管理系統通過監控管理電池組狀態，確保能量均衡分布，提升性能和壽命[4]。均衡技術已從被動均衡發展到高效精準的主動均衡，利用DC/DC轉換器、電容等實現能量轉移，提高利用率，延長壽命。均衡策略和均衡拓撲結構是均衡管理的關鍵，前者依賴算法調控，后者構建電流路徑，共同保障電池組安全穩定運行和性能優化。

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。電壓策略調整電壓實現均衡；容量策略追求整體容量最大化，但不適于動態條件；SOC策略以各電池SOC為標準，提高容量利用率，只需測SOC，不考慮單體容量，實用性強。

1.3 均衡拓撲結構

電池均衡結構分為被動均衡和主動均衡兩類。被動均衡將多余能量轉為熱量散失，為能耗型均衡。被動均衡分為固定分流電阻和開關分流電阻兩類[5]，其均衡電流小但能耗大，可能引發熱效應。但因其成本低、體積小、控制簡等優點，在現代工業中廣泛應用，成為常用均衡形式之一。主動均衡通過儲能元件實現能量轉移，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構。主動均衡因其高效、快速均衡和減少能量損失等優點成為當前研究熱點。

2 主動均衡拓撲結構

主動均衡是借助儲能元件實現電池間的能量轉移，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構。

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，通過調整開關實現電池間能量轉移，分為單開關和多開關結構。

單開關電容均衡結構[6]利用單一電容器實現能量轉移。該結構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，多開關電容均衡結構[7]通過增加開關和電容器配置，如圖1（a）所示。該結構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，導致電荷傳輸需經過每個電池，增加了充放電次數，可能影響電池健康狀態。

針對開關電容均衡結構，改進方向包括：增加開關或電容數量以加速能量流動，實現快速均衡；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。

學者提出開關電容鏈結構[8]，其通過構建額外能量交換通道，實現電池組中頂部與底部電池的直接能量轉移，提升均衡效率，但額外開關需承受整個電池串聯總電壓，限制了其在大型電池組的應用。為解決此問題，科研人員設計了開關電容平行結構[9]。旨在降低開關承受的電壓和電流應力，同時保持高效均衡性能。該平行結構均衡器的均衡速度和效率不受電池數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，實現電池單體間能量重分配，適用于電壓差異小的場景。根據電感數量，分為單開關和多開關電感均衡結構。

單電感均衡器[10]使用2n個開關來均衡n個電池單元。該均衡器的控制系統會檢測每個電池單元的電壓，然后根據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點。然而，它的均衡速度受電壓壓差影響。當單體間電壓壓差較小時，均衡速度會降低。

多開關電感均衡器[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數量，實現了緊湊集成，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用場景中的表現。

2.3 變壓器式均衡

變壓器式均衡高效隔離，靈活調配電池能量，通過繞組存儲、傳遞并釋放能量實現平衡。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，通過開關電路形成能量轉移路徑。當電池單元電壓失衡時，控制系統激活開關，利用變壓器實現能量在電池單元間的轉移，達到均衡目的。然而，該系統能量轉移路徑相對單一，可能無法實現電池組內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相同的次級繞組構成，確保能量均勻傳遞，如圖1（c）所示。工作時，串聯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，實現均衡。該均衡器具有開關數量少、均衡速度快、能量轉換效率高等優點，適用于中等長度電池組。然而，其擴展性受限、設計復雜、維修成本高，是實際應用中的顯著挑戰。

2.4 變換器式均衡

變換器式均衡，采用DC/DC變流電路實現電池單體間的能量轉移與均衡。該技術憑借儲能元件，展現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構。

Cuk式拓撲結構[14]在電池均衡系統中能夠實現能量的雙向傳遞，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，對開關控制精度要求高，元器件數量多導致成本上升。為克服這些限制，研究者設計了多路輸入Cuk變換器[15]。該設計減少了元器件數量，降低了電路復雜性和成本，同時允許電池單體電流根據端電壓自調整，避免了不必要的能量損失，提升了電路能效。

有學者基于Boost電路提出了一種均衡拓撲結構，如圖1（e）所示。該結構通過精確控制開關，實現了高能量電池向并聯電感儲存電能，并在適當時機通過續流二極管將電能向上游低能量電池轉移，從而高效均衡電池組內的能量。然而，該設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。該結構減少元件數量與成本，同時提升電路的靈活性和故障處理能力。

3 均衡拓撲結構比較及分析

3.1 基本均衡拓撲比較

均衡拓撲結構在電池均衡技術中至關重要。被動均衡設計簡單、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、電路復雜、成本高昂等挑戰。各均衡拓撲特征對比如表1所示，選擇時需綜合考慮應用場景、成本、效率和控制復雜度。應選擇合適結構，充分發揮優點，克服局限，實現更高效、經濟、易控制的電池均衡，滿足多樣化需求。

3.2 均衡拓撲設計及改進思路

在設計和改進均衡拓撲時，需權衡被動均衡與主動均衡的利弊。被動均衡結構簡單、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，但設計復雜。為改進均衡拓撲設計，可從以下方面著手：（1）優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，簡化電路結構，降低成本和復雜度；（3）通過冗余設計、改進控制策略等增強系統可靠性；（4）采用模塊化設計，便于擴展和維護。均衡拓撲設計應綜合考慮速度、效率、成本、復雜度、可靠性和模塊化等多個方面，以滿足不同應用場景需求，實現電池組高效、穩定、可靠運行。

4 結論

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，但控制復雜；變壓器式、變換器式可精確轉移能量，但成本高、體積大、控制復雜。選擇均衡結構需綜合考慮速度、效率、成本、復雜度、可靠性和模塊化設計等因素，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，確保高效穩定運行。

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