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串联锂离子电池组均衡拓扑综述
2021-03-02 23:33:51· 来源：Battery Insight view 作者：battery 风清扬
点击蓝字丨关注我们 0引言 电池均衡技术主要包括均衡策略和均衡拓扑，前者通过算法对电路进行控制，后者通过元件连接形成电流通路。在电池均衡技术的发展过程中，由于智能均衡策略的算法控制复杂、实现难度较大，目前大都停留在实验室仿真和验证阶段，其落
电池均衡技术主要包括均衡策略和均衡拓扑，前者通过算法对电路进行控制，后者通过元件连接形成电流通路。在电池均衡技术的发展过程中，由于智能均衡策略的算法控制复杂、实现难度较大，目前大都停留在实验室仿真和验证阶段，其落地应用和推广仍是一个巨大的难点和挑战。而均衡拓扑的研究相对比较成熟，对现有的拓扑结构进行改进和优化是主要研究内容之一。均衡拓扑作为电池均衡技术的关键组成部分之一，不仅关系到电池均衡的能量耗散或转移方式，而且对电池均衡效果有一定影响。改进均衡拓扑能够有效提高电池均衡的速度和效率，减少电路损耗，降低均衡成本，从而推进BMS的优化与发展。
基本均衡拓扑结构主要可分为被动均衡和主动均衡两大类。被动均衡又称能耗型均衡，是指将电池单体多余的能量全部以热量的方式消耗。而主动均衡作为一种非能耗型均衡，是指能量通过储能元件进行转移，从而减小电池组不一致性。根据能量转移元件的不同，主动均衡又可分为基于电容、基于电感、基于变压器和基于变换器这四类均衡拓扑结构，如图1所示。
在电池均衡的落地应用上，对于电动汽车等小规模储能应用，被动均衡因其拓扑结构简单、易于控制和实现，更加符合工业产品的批量生产和控制成本的需要。而对于储能电站等大规模储能应用领域而言，由于储能系统配置容量较高，电池数量巨大，其充放电电流可高达几百安，因此，被动均衡的优势并不显著。为改善储能电站大容量电池组的不一致性，基于变压器或变换器的均衡方法因其适用性和可行性而具有更广阔的应用空间。目前，储能电站产业正逐渐由示范项目向商业化应用过渡转型，对储能电池的性能和电池均衡的效果也提出了更高的要求，电池均衡拓扑将逐步向更高效可靠、更低损耗、更经济的方向发展。
在电池均衡的研究现状上，国内外学者已对基本均衡拓扑进行了相关整理和综述，但其研究主要侧重于不同均衡拓扑结构的横向对比和评价，涉及纵向改进和发展过程的综述较为少见。本文对串联锂离子电池组均衡拓扑的研究进展进行了系统性的梳理，并对均衡拓扑结构的发展过程进行分析，旨在为未来进一步优化均衡拓扑、提出新型拓扑结构提供指导。本文分为以下几个部分：第1节对电池均衡系统进行简介；第2节阐述被动均衡的若干应用及其局限性；第3节主要针对四类主动均衡拓扑结构的工作原理和优缺点进行详细地介绍，重点阐述电路由基本拓扑原型改进和发展的过程；第4节对各类均衡拓扑的性能和优缺点进行总结对比，提出不同场景下均衡拓扑的选择和设计方法，同时分析了均衡拓扑的改进思路，并对未来可能的均衡拓扑发展方向做出展望。最后在第5节进行总结。
1电池均衡系统
1.1电池均衡系统简介
电池均衡系统是一种能量管理系统，其目的是减小电池组内各电池单体间的能量差异，从而提高电池组的一致性。电池均衡系统的工作原理如图2所示，主要包含均衡控制策略和均衡拓扑结构。均衡控制策略主要研究均衡一致性评价指标、均衡条件、均衡路径优化等问题，通过采集电池组及各电池单体的电压、电流、温度等状态量来决定均衡路径；均衡拓扑结构则为电池单体间的能量耗散或转移提供通道。
电池均衡技术自产生以来经历了一系列改进和演变，大致可以分成以下三个阶段，如图3所示。在研究初期，电池均衡主要以单一拓扑和开环控制为主，其中以被动均衡最为典型。这种均衡方法的设计和实现难度很小，且无需闭环控制，但其电阻热效应严重，导致能量利用率很低。20世纪末，主动均衡的出现使电池均衡技术的发展进入了新阶段。在此期间，学者采用电容、电感、变压器、变换器等电路元件搭建不同种类的基本均衡拓扑结构，并在此基础上进行不断改进和衍生，同时采用合适的均衡策略控制电路开关，不仅有效解决了被动均衡热管理的难题，更提高了均衡速度和效率。近年来，随着人工智能的发展和大型用电设备的普及，电池均衡技术的发展更趋于模块化、智能化、层次化、系统化，在达到均衡指标的基础上，电路的延展性、经济性、实用性也成为了均衡系统设计的要求。因此研究电池均衡是现代工业发展的必然趋势，追求效果更优、性能更佳、性价比更高的电池均衡系统是目前的研究热点。
1.2均衡控制策略
均衡控制策略是指通过选取合适的均衡指标，根据该指标的动态变化，运用算法控制开关的开断，进而控制能量转移的路径。根据均衡指标的不同，均衡控制策略可分为基于电压、基于荷电状态(stateofcharge，SOC)和基于剩余电量的均衡控制策略。
良好的均衡策略具有高精度、运行快、易操作等特点，有利于进一步提升均衡效果。目前常见的均衡策略有最大值均衡法、平均值及差值比较法、模糊控制法等。
1.3均衡拓扑结构
均衡拓扑结构为电池单体间的能量转移提供了路径，其包含的电路元件和电路连接方式对均衡拓扑的性能有着深刻的影响。
理想的均衡拓扑结构应具有以下特点：设计、实现、控制简单；成本较低；体积较小；电流、电压应力小；易扩展、易模块化；均衡速度快、均衡效率高；耐热性能较好；双向均衡。
良好的均衡效果是均衡拓扑的基本功能要求，而拓扑经济性、可集成性、尺寸以及控制和实现难度则关系到均衡拓扑的落地应用和推广。在现有的研究成果中，尚无一个均衡拓扑能够同时满足以上要求，且诸多新型均衡拓扑的工程实用性仍有待考证，因此，均衡拓扑的研究亟待进一步推进。本文后续部分将对各类基本均衡拓扑及其改进结构进行详细介绍。
2被动均衡
根据均衡控制方式不同，被动均衡可分为固定分流电阻结构和开关分流电阻结构，如图4所示。被动均衡虽然均衡电流不大，且电路热效应显著，但其设计简单、成本低廉、电路体积小且控制容易，是现代工业中最受欢迎的均衡形式。
在家用汽车上，以日产leaf、特斯拉、宝马i系及福特VOLT等为代表的国外电动汽车和以比亚迪为代表的国内电动汽车多采用18650三元锂电池组的被动均衡形式，其给定的均衡电流通常在100~200mA之间，在电动汽车运行初期基本满足需要。在卡丁车等电竞赛车上，Abronzini等人设计了无源分布式电池管理系统及其优化算法，其安全性和均衡时间都达到了较高的性能。为进一步提高均衡效率，Abronzini等人还在此基础上考虑了BMS单元的热模型，从而将均衡时间最小化。
除了电动汽车外，我国电动自行车阀控铅酸蓄电池组也应用了被动均衡技术，但被动均衡效果甚微，电池组的循环寿命短仍是阻碍自行车行业发展的绊脚石。此外，被动均衡还应用于IC公司生产的芯片，例如Linear公司推出的LTC680X系列、TI公司生产的BQ系列芯片、O2Micro公司提出的OZ890x系列。
由于锂离子电池组不可过充或过放，单一的被动均衡无法满足电池系统稳定性和安全性的要求。因此，不少学者将被动均衡与主动均衡相结合，形成主被动复合均衡电池管理系统，这种方法在理论上能够实现两者互补共赢，改善被动均衡的不足，但是也导致了电路体积增大、控制更为复杂等问题。与此同时，被动均衡固有的热管理问题未得到有效缓解，因此仍需要进一步研究。
3主动均衡
主动均衡通过储能元件完成电池之间的能量转移，其基本能够满足均衡效率高、均衡速度快、均衡电流大的要求。但其较高的成本、复杂的控制策略降低了可靠性，且有些复杂技术难题尚未解决。因此，主动均衡的研究仍面临着巨大的挑战。
3.1基于电容的均衡拓扑结构
基于电容的电池均衡，也称电荷转移均衡，主要利用电容的储能特性，以电容为能量转移载体，根据电压差调整开关选通从而实现电池之间的能量流动。该均衡方法具有一致性好、可靠性高、易于实现的优点，但其根据电压差实现均衡的特性也造成一定的局限性，仅适用于对均衡速度和精度要求不高的场合。
根据电容数量不同，基于电容的均衡方法可分为单开关电容结构和多开关电容结构。
3.1.1单开关电容
单开关电容结构以单个电容器作为能量储存元件，通过选择源电池、目标电池以及相应的开关来实现单体电池之间的能量转移，其拓扑结构如图5所示。该电路的优点是控制简单，电路成本较低。但该拓扑一次只允许一对单体电池进行均衡，整体均衡速度和均衡效率都不高，不适用于长电池串均衡，因此其研究受到一定限制。
3.1.2多开关电容
多开关电容结构最早由Pascual和Krein提出，如图6所示，它的优点是不需要智能控制，在充放电状态下均可工作，缺点是只使用一层电容器在相邻的电池之间交换能量，均衡效率和速度较低。
基于上述基本开关电容结构，国内外学者作出了进一步改进。改进思路主要分为三大类：第一类是使用更多的开关或电容来实现更复杂的均衡路径；第二类是改变电容器的连接结构，实现电池间的直接能量传递；第三类是针对传导损耗、开关损耗、电池间电压差有限等缺点进行改进。本文将针对这三种思路，详细阐述开关电容的改进拓扑以及电路由简到繁的发展过程。
1)增加开关/电容数量
当开关电容应用于锂离子电池，且电池数量较大时，电池的均衡速度通常较慢。因此，Kim等人提出了开关电容的链结构，如图7所示，这种结构通过增加电池电荷交换路径实现了顶部电池和底部电池之间电荷的直接交换，从而提高了均衡速度。但该电路中附加开关的电压应力等于电池串的总电压，因此这种结构很难应用于大规模电池组。
为了解决以上问题，Ye等人提出了开关电容的串并联结构，如图8所示。在均衡过程中，首先电池与对应电容并联，完成充放电过程，然后通过控制开关并联所有电容，使电荷自动地从高电压电容流向低电压电容。通过两种状态交替，能量可以直接从高电压电池转移到低电压电池。然而，该电路所需要的开关数是多开关电容均衡结构的两倍，从而导致其体积大、成本高。
2)改变电容器的连接结构
开关电容的双层结构是多开关电容均衡结构的派生之一，不同之处在于它使用双电容层进行能量传递。该结构的优点在于，第二层电容器能使均衡时间缩短四分之一，且可以同时进行充放电操作。
当双层开关电容应用于长电池串时，Du等人将电路模块化，如图9所示。每个模块均包含独立均衡系统的子模块单元，同时模块间通过电容传递能量。该结构能够显著降低开关电压和电流应力。
为进一步缩短均衡时间和提高均衡效率，Ye等人提出了一种在不增加开关数量的前提下实现任意单体电池之间均衡的结构，即开关电容的平行结构。如图10所示，该结构的均衡速度和效率与电池数量和电池电压的初始分布无关。然而，电容数量的增加会导致电容电压的不确定性。
另一种类似的方法是由Shang等人提出的开关耦合电容均衡器，如图11所示。该电路利用开关耦合电容器完成单体电池之间能量转移，更易于控制和模块化，但并未有效减小电路体积和成本。
为了改善以上缺点，Shang等人提出了基于三角结构的开关电容均衡器，如图12所示。每个电池只需要两个开关，任意单体电池之间均通过一个电容器传递能量，从而实现快速高效的均衡。该系统具有控制简单、效率高、自动同步均衡等优点。
与三角结构相对应，Shang还提出了另一种实现任意单体电池间自动均衡的结构，即开关电容的星型结构，如图13所示。与平行结构和三角结构相比，该电路使用更少的MOSFET开关和电容，从而以更小的尺寸进一步提高了均衡速度和效率。
此外，为了在系统复杂度和均衡性能之间取得较好的平衡，Shang等人还提出了一种权衡平行结构和三角结构的改进电路，即开关电容的网状结构，如图14所示。该电路继承了控制简单、效率高、均衡快的优点，在任何非均衡状态下都能实现快速均衡。与平行结构相比，新增加的电容器承受电压应力较低，并不会造成体积和成本的显著增加。
3)降低电路损耗
在开关电容结构中，开关的电压降会导致电池的电压不能完全均衡，同时，硬开关状态导致电路的开关损耗非常高。
针对这一问题，Ye等人将新型准谐振开关电容器应用于串联电池组均衡，以实现零电流开关和零电压间隙，如图15所示。该电路既继承了传统开关电容电池均衡系统的优点，又克服了传导损耗、开关损耗、电池间电压差有限等缺点。实验表明，该电路的效率高达98%，适用于对均衡效率要求较高的电池管理系统。
3.2基于电感的均衡拓扑结构
基于电感的电池均衡主要利用电感电流不能突变的特性，以电感为能量转移载体，实现电池之间的能量转移。由于电感均衡的能量以电流形式转移，即使相邻单体电池间的电压差值比较小，也能够实现均衡，因此更适用于电压平台宽且在充放电始末端变化快的电池体系。
根据电感数量不同，基于电感的均衡可分为单开关电感结构和多开关电感结构。
3.2.1单开关电感
与单开关电容类似，单开关电感结构采用单电感实现单体电池之间的能量流动，其拓扑结构如图16所示。由于该结构的均衡速度和效率随着电池数量增加而下降，因此同样不适合长电池串均衡。
为了实现电池单体与电池组之间的能量转移，可增加两个开关使电感与电池组并联，改进后的电路如图17所示。与图16所示的拓扑结构相比，该电路不仅增加了均衡路径，还大大减少了MOSFET开关的数量，从而有效降低电路的开关损耗，在一定程度上提高了均衡速度和效率。
3.2.2多开关电感
多开关电感结构如图18所示，每个均衡模块轮流、分时工作，能量转移路径较长，从而限制了均衡速度，只适合在串联电池数量较少且对均衡速度要求不高的场合。
复杂电感均衡拓扑多采用与变压器、变换器结合的形式来实现更高效率的均衡，相关电路将在3.3、3.4节阐述。
3.3基于变压器的均衡拓扑结构
基于变压器的电池均衡属于隔离型均衡，它以变压器为能量转移载体，将电池组或电池单体的部分能量储存在绕组中，并通过互感传递到另一个绕组，最后通过开关将能量传递到需要均衡的电池组或电池单体中。该均衡方法的均衡速度较快，但随着串联电池数量增加，变压器线圈的绕制越来越复杂，大大增加了电路的成本和体积。
根据变压器种类，基于变压器的均衡可分为单绕组变压器、同轴多绕组变压器和多重变压器结构。
3.3.1单绕组变压器
3.3.2同轴多绕组变压器
同轴多绕组变压器由一个磁芯、一个初级绕组和多个次级绕组构成。其工作原理是通过“共享变压器”完成整个电池组与所要均衡的电池单体之间的能量转移，它有两种电路结构：反激模式和正激模式，其拓扑结构如图20所示。该电路的优点是开关数量少、均衡速度快、均衡效率高，缺点是不易扩展、次级绕组数量多、变压器设计困难、维修成本高，一般适用于中等长度的串联电池组。
在反激模式下，当初级绕组侧开关导通时，变压器储存能量；当开关关闭时，能量被转移到变压器的次级绕组，感应电流通过二极管给电池充电。
在正激模式下，当检测到电压差时，最高电压电池对应的开关被打开，能量通过变压器和开关的反并联二极管从该电池传输到其他电池。正激电路结构复杂、成本高，且存在多绕组变压器磁饱和问题。
同轴多绕组变压器均衡的改进思路包括正反激结构的改进、改变变压器结构和降低电路损耗。
1)正反激结构改进及模块化
Kuhn等人针对反激模式能量单向传递的不足，采用双向开关来实现能量的双向流动，如图21所示。另一种类似改进电路采用基于反激式DC/DC转换器的改进双向均衡系统设计，并通过优化参数和仿真分析验证其有效性。
在混合动力汽车等大功率应用中，储能电池多以串联长电池串的形式存在，因此由多绕组变压器衍生的模块化结构应运而生，该结构有效增强了电路的扩展性。图22为模块化多绕组变压器均衡结构，在该结构中，各模块内部通过反激变压器均衡，模块之间则通过主变压器与整个电池组进行能量传递。虽然这种均衡结构体积庞大且成本高昂，但在高功率和高速均衡的电动汽车应用中比其他均衡技术具有更高的效率。
2)改变变压器结构
为解决正激模式磁饱和问题，Shang等人提出了一种不需要额外消磁电路和电池监控电路的自动均衡器，如图23所示。该均衡器将变压器的绕组分为两组，这两组绕组具有相反的极性，其组内均衡基于正激变换，组间均衡基于反激变换，同时反激变换可以自动复位变压器中储存的磁能，而不需要额外的消磁电路。
为进一步减小电路体积，Shang等人又对上述电路进行改进，提出了一种基于多绕组变压器耦合半桥变换器的优化自动均衡器，如图24所示。该均衡器不仅将变压器绕组减少了一半，从而达到减小体积、降低成本的目的，而且实现了任意电池单体之间的自动均衡，大大加快了均衡速度。
为在低复杂度的情况下实现快速均衡和高均衡效率，Chen等人提出了一种利用多绕组变压器的双向有源均衡方法，如图25所示。该电路允许能量通过正激或反激变换直接从最高能量电池传输到最低能量电池，为能量转移提供了一个较短的路径，从而保证了较快的均衡速度。
对于大功率应用场合中的长电池串，通过改变变压器绕组的连接方式是实现电路模块化的改进方式之一。Kwon等人提出了一种采用扩展多绕组变压器的模块化电池均衡结构。该电路通过连接变压器之间的绕组来实现模块间均衡，其优点是易于模块化和控制，不受电池数量限制。另一种改进方法是图26所示的基于级联多绕组变压器均衡拓扑结构，与传统的多绕组变压器均衡结构相比，该拓扑结构在变压器结构上更简单、更易于制造。
同轴多绕组变压器均衡的改进思路包括正反激结构的改进、改变变压器结构和降低电路损耗。
3)降低电路损耗
通过软开关技术降低电路开关损耗是均衡结构改进的常见方法之一。Hsieh等人[53]提出如图27所示的改进电路，变压器励磁电感与电容Cs构成振荡电路，不仅降低了开关损耗，还有效实现了磁芯复位，进一步提高了均衡效率。
3.3.3多重变压器
如图28所示，在多重变压器均衡结构中，各电池单体均有专用变压器，并通过专用控制开关将同一初级侧绕组连接在一起。该电路均衡速度较快，但多台变压器的使用导致电路体积庞大、成本高昂、磁化损耗严重等问题。
为了在提高均衡效率的同时实现更多电池单体的均衡，Yu等人提出了一种基于反激变换的均衡结构及其控制方法。与传统均衡电路不同，该电路以12V铅酸电池作为“能量转换站”，不仅减少了一半的开关，还能够实现多单体与多单体之间的能量转移，且均衡系统稳定，均衡速度较快。
3.4基于变换器的均衡拓扑结构
利用DC/DC变流电路实现均衡的方法称为基于变换器的电池均衡，它同样是以电容、电感或变压器作为能量储能元件。该类均衡拓扑性能好且集成度高，是主动均衡重点发展方向之一。但目前该结构还存在设计较为复杂且应用成本较高等问题。
根据DC/DC变流电路的特点，基于变换器的均衡可分为非隔离型电路结构和隔离型电路结构。
3.4.1非隔离型电路
在电池均衡拓扑结构种常用的非隔离DC/DC变换电路主要分为Cuk电路、Boost电路、Buck-Boost电路。
1)Cuk电路
典型的Cuk斩波电路均衡拓扑结构如图29所示，该结构仅能实现相邻电池间能量转移，当其应用在大规模电池组中时，长距离的均衡过程导致电池组均衡速度及均衡效率不理想。此外，Cuk电路使用元器件较多，因此成本偏高。
针对以上缺陷，Moghaddam等人提出了一种使用耦合电感的Cuk式均衡电路，如图30所示。当均衡含有2n个电池单体的电池组时，该电路共需n+1个耦合电感、n个电容以及2n个开关。同图29所示的电路相比，拓扑元件数量大幅度减少。引入耦合电感后，该电路还能够有效改善Cuk电路应用于长电池串均衡时所产生的均衡时间长的问题，其电路的集成性得以进一步提高。
Qi等人通过改进传统Cuk电路，设计了一种多路输入Cuk变换器，如图31所示。该电路不仅使用的元器件数量较少，而且电池单体的电流可根据端电压进行自调整，从而避免了不必要的能量损失。此外，该电路还具备一定的容错能力。
2)Boost电路
Moo等人提出一种基于Boost斩波电路的均衡拓扑结构如图32所示。通过控制开关导通，高能量电池中的电能可储存至并联的电感中，而后在开关关断期间经续流二极管向上游低能量电池串转移，其中第一个电池单体的能量可转移至其余电池。
之后，Moo等人改进了上述电路结构，在该电路中，高能量电池中的电能不仅可以往下游电池串转移，而且可以通过电容储能元件向整个电池组转移，进一步提高了电路的灵活性，有利于减少均衡时间。
3)Buck-Boost电路
Phung等人进一步提出了基于Buck-Boost斩波电路的均衡拓扑，如图33所示。该结构通过控制开关的通断能够实现相邻电池单体间的均衡。但当其应用于长电池串均衡时，均衡速度将会受到影响。Ma等人研究了基于该电路的两级均衡拓扑，有效改善了电路均衡速度慢的问题。Zhang等人研究了基于该电路的混合式两级均衡拓扑，其第二级电路中采用的是基于变压器的均衡拓扑结构，实现了各电池模块间的直接均衡，进一步提高了均衡速度并减少了电路损耗。但该拓扑受限于多绕组变压器的绕组数量，可扩展性较差。
中开关导通损耗。实验表明加入准谐振电路后，系统均衡效率提升了20%~30%。但该电路谐振电压峰值大，对器件的耐压性能要求更高。另外，谐振周期会随电路输入电压以及负载变化而改变，这给驱动电路的设计增加了难度。
3.4.2隔离型电路
隔离型电路结构具备输入端与输出端相互隔离的功能，因此基于该类型电路的均衡拓扑主要是以变压器作为储能元件。
常用的隔离DC/DC变换电路主要分为正激变换、反激变换以及桥式变换。前两类拓扑与3.3节中叙述的变压器拓扑方式有重合之处，此处不再赘述。
全桥变换器是一种全控型变换器，如图35所示。该拓扑结构能够实现交流电与直流电的转化，适用于插电式混合动力汽车等功率较高的电池组均衡。但其主要缺点是电路成本较高，控制相对比较复杂。
4均衡拓扑比较及分析
4.1基本均衡拓扑比较
电池均衡对提高电池组的使用性能具有重要作用。在储能电池领域，开发新型均衡拓扑和改进现有拓扑结构对推动当前及未来储能电池产业的发展具有深远意义。为优化均衡效果和推进电池均衡的落地应用，国内外学者已进行了许多研究，其研究成果已在第2、3节中进行介绍。
为评价和比较不同类别均衡拓扑结构的性能，在相关文献调研的基础上，图36-38对电池均衡中基本拓扑结构的体积、成本、控制难度、实现难度、电压应力、电流应力、均衡速度、均衡效率等指标进行了评价。
由图36可知，被动均衡的电路体积和成本很低，且易于控制和实现，但其均衡速度非常慢，且存在较严重的热管理问题，在多数情况下无法满足电池组的均衡要求。
由图37、图38可知，基于电容的均衡效率很高，其电路功率损耗处于较低水平，但是均衡速度和控制难度是制约其发展的主要因素。相比于多开关电容均衡结构，单开关电容结构的均衡速度更快、体积更小，一定程度上降低了电路成本，增强了经济性。
与电容类似，基于电感的均衡功率损耗也非常小，其余各项指标基本处于中等水平。单开关电感结构的优势在于其极小的电流应力以及较小的电路体积，尤其在能量双向流动的条件下，功率损失几乎可以忽略不计。
基于变压器的均衡的显著特征是体积大、成本高，但其控制难度相对适中。其中，多重变压器结构由于电压、电流应力的增大以及铁磁损耗的存在，其电路效率不高，且损耗随着变压器数量的增加而增大，因此实用性相对较低。
基于变换器的均衡电路损耗较低，均衡速度较快，但控制和实现难度较大。相比于隔离型电路结构，非隔离型电路结构的均衡效果更佳，但其驱动电路的复杂性不利于均衡拓扑的工程应用。
4.2均衡拓扑选择方法
均衡拓扑的选择对电池均衡的效果有着深刻的影响。选择合适的均衡电路有利于提高电路的能量利用率，实现能量的有效转移。因此，针对不同均衡要求和应用场合，为电池组选择合适、有效的均衡方法显得非常有必要。表1列举了各基本均衡拓扑的优缺点，可为均衡拓扑的选择提供一定参考。
均衡拓扑选择方法如图39所示。对于低功率应用，由于电路本身电流较小，电阻热效应不显著，因此一般的开关分流电阻结构即可满足均衡电路的基本需求，其低成本、小体积、控制简单、易于实现的特点也有利于低功率产品的工业批量生产、应用和推广。
对于中、高功率应用，被动均衡则无法达到较高的均衡指标。在设计成本有限的条件下，如果对均衡速度要求不高，且要求电路体积尽可能小，则可选择基于电容的均衡方法；如果对均衡速度有一定的要求，且电池电压平台较宽时，则采用基于电感的均衡方法更为合适。在预算充裕的条件下，如果不限制电路体积，且负载电流较大，功率较高，一般采用基于变压器的均衡方法，但仍需重视变压器的磁损耗问题；如果对均衡效果要求较高，且控制技术相对比较成熟，为避免变压器磁损耗，可采用基于变换器的均衡方法。
表1基本均衡拓扑的优缺点
Tab.1Advantagesanddisadvantagesofbasicbalancing
topologies
4.3均衡拓扑设计及改进思路
由于基本均衡拓扑结构的均衡效果十分有限，因此对现有拓扑原型进行改进和优化是目前研究的热点之一。改进后的拓扑结构性能与原型相比均有一定提升，但同时也会带来其他缺点，例如控制难度加大、实现更加困难等。因此，在均衡拓扑的设计上，需要从不同角度分析电路的性能，并在不同性能指标中寻求一个平衡点，从而找到在既定条件下最为合适的拓扑结构，这是设计和改进均衡拓扑的关键因素之一。
在对均衡拓扑的改进思路上，应基于关键性能指标，从以下几个方面进行改进：
1)增加均衡路径：电路的连接方式是能量转移路径的决定因素之一，增加均衡路径能够实现多个电池单体间同时均衡，从而有效提高均衡速度。
2)减小电路体积、减少电路元件：电路元器件越大、数量越多，电路体积就越大，因此在不降低均衡效果的基础上，简化电路结构显得尤为重要。
3)降低成本：均衡电路的经济性关系到其落地应用和工业生产，因此这是设计者需要考虑的因素之一。
4)改善电路元件内部结构：开关管、变压器等电路元件的内部结构对电路性能存在一定影响，通过对元件本身进行优化有助于改善其固有缺点，减少不必要的损耗。
5)降低电路损耗：通过软开关技术、谐振电路等措施对电路进行优化，从而提高均衡效率。
4.4均衡拓扑研究展望
目前，电池均衡技术的发展正处于上升时期，现有均衡拓扑不断被改进和优化，得到性能更加优异的新型均衡拓扑。
纵观近两年的研究成果，电池均衡拓扑在均衡路径优化、原理优化、模块化均衡及集成系统等方面均得到了不同程度的发展。
在均衡路径优化方面，开关电容的三角结构、网状结构等拓扑的提出，不仅增加了均衡路径，提高了均衡速度，还兼顾了拓扑的复杂度，但这类拓扑的延展性普遍不高，无法满足长电池串均衡的需要。
在均衡原理优化方面，变换器均衡与准谐振电路原理相结合，能够有效降低电路的开关损耗，但谐振电路增加了无源元件的数量，一定程度上增加了电路的成本和体积，且控制难度和电路复杂度也会有所增加。
随着储能电池技术逐渐向中、高功率应用领域拓展，大容量电池组均衡系统对均衡拓扑的可靠性、延展性、经济性提出了更高的要求。在模块化系统的研究上，传统模块化均衡系统在模块内和模块间均需要设置均衡器，例如正反激变压器组合均衡系统，虽然这在一定程度上提升了均衡效率，但系统成本和复杂性居高不下，因此，不少学者在简化模块化均衡拓扑结构方面进行了研究。Uno等人、Dam等人均通过无源器件连接相邻电池模块，从而降低了模块化系统的复杂性，有利于实现电路的小型化，但均衡系统控制难度较大。Tavakoli等人通过串联变压器三级绕组实现了模块化均衡拓扑的简化，但需要基于电压传感器的分布式控制技术。由此可见，模块化均衡系统的复杂性和控制难度存在一定矛盾，构建低成本、易于控制、经济可靠的模块化均衡系统仍需进一步研究。
在集成系统的研究上，为进一步降低电路成本和体积，Liu等人提出了由钛酸锂电池和超级电容器组成的集成储能系统，电容模块兼具均衡和储能的功能，适用于电动汽车等领域。但对于面向电网的大容量电池组，集成均衡系统的性能、成本、体积、实现等方面仍难以兼顾。Qi等人通过集成极性开关和双向DC/DC变换器组成集成级联结构，实现了不同电压极性的电池均衡，进一步提高了均衡系统的可靠性和集成度，但其只适用于集中式电池均衡系统，无法满足分布式系统的均衡需求。
基于均衡拓扑的研究现状及其研究趋势，未来电池均衡拓扑的研究可从以下几方面展开：
1)均衡方案组合优化。通过主被动均衡电路组合、辅助均衡、分层均衡等组合均衡方案的设计，实现多种均衡方法互相“取长补短”，从而有效改善单一均衡导致的缺陷，实现兼具多种均衡方法优点的复合型均衡拓扑。
2)进一步实现电路低损耗。对于电路元件固有的运行损耗，通过电力电子技术、新型电路元器件材料等手段有效降低能量损耗，提高均衡电路的工作效率。例如移相谐振软开关技术能够减少开关应力、降低开关损耗，由碳化硅或氮化镓等材料构成的宽频带隙器件能够实现更强的耐压、耐温能力和更小的开关内阻。
3)模块化、层次化电池均衡优化。相比于普通小容量串联电池组，大容量电池组均衡系统一般具有多层次、大电流、高效率、集中调控等特点，可通过设置电池管理单元、电池组管理系统、电池阵列管理系统三层电池管理系统，分别对电池模块内、模块间和电池系统相内、相间的能量进行均衡，以降低电池不一致程度，从而提高容量利用率，延长电池组的使用寿命。此外，可以通过比较不同数量模块、不同层次均衡电路的性能，选择最佳模块数量和电路层次，从而实现长电池串均衡拓扑结构的最优设计。为进一步降低模块化均衡系统的复杂性和控制难度，在简化均衡拓扑的同时设计易于操作和实现的控制策略，是未来模块化均衡系统的发展方向。
4)均衡系统集成化。将均衡电路中的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线通过半导体工艺进行集成和封装，有利于进一步缩小电路体积、降低电路成本，从而实现集成均衡电路的落地应用和批量生产。
5结论
储能电池技术为电动汽车、智能电网等行业提供了技术支持和发展可能。电池均衡问题作为电池技术的关键问题之一，一直以来受到广泛关注和重点研究。本文系统地综述了串联锂离子电池组均衡拓扑的研究进展，并从横向和纵向两个角度进行比较和分析。
在横向比较上，基本均衡拓扑的各项性能不尽相同，根据其优缺点适用于不同场合。被动均衡设计、实现、控制简单，但其均衡效果较差，一般用于小功率设备。基于电容的均衡方法根据电压差进行能量转移，电路成本和体积均较小；基于电感的均衡方法则适用于SOC差异远大于电压差异的储能电池；基于变压器的均衡方法会引起电路体积、成本、铁芯损耗的增加，一般用于高负载电流的大型用电设备；基于变换器的均衡方法均衡效果最为可观，但其复杂程度相对较高，实现难度较大。
在纵向分析上，通过比较均衡拓扑改进前后的特性可知，学者主要从均衡拓扑的评价指标出发，从增加均衡路径、减小电路体积、降低成本、改善电路元件内部结构、降低电路损耗等角度对均衡拓扑进行优化，在均衡性能提高的同时，其拓扑结构及控制方式也在不断变得复杂。
在储能电池技术的未来研究中，电池均衡仍将扮演重要角色，在不同均衡拓扑的选择和设计上，将更趋于灵活化和智能化，实现更高水平的均衡效果，从而推动电池均衡技术的进一步发展。本文关于串联锂离子电池组均衡拓扑的综述和分析不仅对均衡拓扑的研究现状进行系统性梳理，更为新型均衡拓扑的选择和设计提供一定的理论指导，有利于均衡拓扑结构的优化与创新。
文章来源：电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）
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