動力鋰電池均衡拓撲結構研究綜述

【摘要】為了滿足系統性能需求，鋰離子電池在實際使用中通常需要成組使用，但不同電池單體之間存在不一致性問題，如內阻、電壓和自放電率的差異。這些差異會降低電池組的能量利用率、使用壽命，并可能危及電池系統的安全性，電池均衡技術是解決這一問題的有效手段。深入分析了電池均衡原理，并詳細綜述了常見的電池均衡電路拓撲結構。對電池均衡技術的發展現狀進行了梳理，分析了現有電池均衡拓撲結構的優缺點。同時，研究了近年來涌現的新技術和解決方案。在分析目前電池均衡技術存在的難題的基礎上，提出了未來研究發展的方向。

關鍵詞：鋰離子電池；不一致性；均衡技術；均衡拓撲結構

中圖分類號：TM912" " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " "DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20240109

Review of Power Lithium Battery Equalization Topology Research

Liu Rui1， Jiang Yan1，2， Wang Hai1，2

（1.School of Electronics and Electrical Engineering， Zhaoqing University， Zhaoqing 526061; 2.School of Mechanical and Automotive Engineering， Zhaoqing University， Zhaoqing 526061）

【Abstract】In order to meet the system performance requirements， lithium-ion batteries usually need to be used in groups in practical use， but there are inconsistency problems between different battery monomers， such as differences in internal resistance， voltage and self-discharge rate. These differences will reduce the energy utilization of the battery pack， service life， and may jeopardize the safety of the battery system. Equalization technology is an effective means to solve this problem. The principle of equalization is analyzed in depth， and common topologies of equalization circuits are introduced in detail. The development status of equalization technology is sorted out， and the advantages and disadvantages of existing equalization topologies are analyzed. At the same time， the new technologies and solutions ememerging in recent years are studied. On the basis of analyzing the difficulties existing in the current equalization technology， the direction of future research and development is proposed.

Key words： Lithium-ion battery， Inconsistency， Equalization technology， Equalization topology

0 引言

鋰離子電池（Lithium-ion battery， LIB）因具有能量密度高、循環壽命長、無記憶效應、自放電率低等優點，被廣泛應用于汽車、電網、便攜式電器、通信和電力監控系統及儲能等領域[1]。每顆單體鋰離子電池的電壓范圍通常為2～4.2 V，多數情況下不足以滿足儲能系統高電壓、大容量需求，通常需要將若干個單體電池串連使用，有時為了滿足更大的能量需求，電池組會并聯后再串聯。受限于生產加工技術水平，同批次的單體鋰電池初始容量、內阻、電壓、自放電率等各項關鍵性能特性存在差異，而且由于工作環境的差異性及鋰電池本身特有的化學屬性，這些特性的差異在電池組工作過程中越加明顯，呈現出不一致性。電池的不一致性使得電池組容量的利用率降低，同時容易過充過放，加速電池老化，存在安全隱患。

電池組放電過程中會產生“木桶效應”（圖1），電池4在放電過程中電壓達到放電截止電壓時，整個電池組隨即放電結束。此時其他電池仍有剩余電量未耗盡，進而造成了電池容量浪費。若繼續放電將導致電池過放，會對電池造成不可逆的損壞。在充電過程中，電池1先達到充電截止電壓而使電池組整體充電結束，此時其他電池尚未充滿，造成電池組不能充電至最大容量，若繼續充電則會導致過充。電池的差異越大容量浪費問題越嚴重，并且隨著單體電池的數量及循環次數增加，不一致性更加明顯。

電池組的不一致性無法完全消除，但可采取一些措施來緩解[2]。現階段電池均衡技術在優化不一致性方面效果最為顯著，很多學者對此展開大量研究。

均衡技術包括均衡控制策略和均衡拓撲結構。均衡控制策略是指根據電路結構，選取恰當的不一致性動態評估指標，采用合適算法控制均衡拓撲電路中的開關通斷，為能量轉移選取最優路徑。均衡控制動態評估指標通常包括電壓、荷電狀態（State of Charge， SOC）和剩余電量。出色的均衡策略具有精確度高、執行速度快和操作簡便等特點，可有效改善電池組的不一致性。因算法難度較大且過于復雜，目前均衡策略大多處于模擬試驗階段。相較而言，電池組均衡拓撲結構的研究比較成熟。電池組均衡拓撲結構的劃分多種多樣，按照均衡過程中均衡電路是否存在能量損耗可分為能量耗散型均衡（被動均衡）和非能量耗散型均衡（主動均衡）；按照功能不同可分為充電均衡、放電均衡及雙向均衡；根據均衡電路與主電路是否同時工作，可分為在線均衡和離線均衡。通常，根據能量在均衡過程中的處理方式進行分類，即主動均衡和被動均衡[3]。

電池均衡技術誕生初期，由于技術水平和成本的限制，均衡拓撲結構較為單一，主要采用被動均衡拓撲，但該拓撲熱堆積嚴重、抗干擾能力差，且控制策略較為簡單。隨著電力電子技術的發展，電動汽車、儲能等領域對電池組一致性的要求越來越高，主動均衡技術迅速發展。以電感、電容、變壓器、變換器等元件為基礎的各類拓撲結構不斷優化精進，并采用合適的均衡控制策略能有效提高能量利用率。近年來，隨著時代的推進和能源存儲技術不斷革新，電池均衡技術取得突破性進展，其發展更趨向于拓撲結構集成化、均衡策略智能化。通過均衡技術，可確保每個電池單體在充放電過程中都能達到相似的狀態，從而提高電池組的整體容量和性能，有效減少能量損失，提高能量利用效率，延長電池組的使用壽命。

由于均衡電路自身的復雜性、高成本等因素，同時降低了電池系統的可靠性和安全性，此外，多數均衡電路實用價值偏弱，很難對先天不足的電池單體實現有益的均衡，所以，多數均衡電路并沒有真正實現工程上的推廣和應用。

當前，國內外學者在均衡拓撲結構的綜述方面，主要聚焦于不同拓撲結構之間的對比分析，而對于拓撲結構的具體改進研究及其成果的研究綜述較少。本文介紹了在實際應用中的幾類典型被動均衡與主動均衡拓撲結構，通過闡述每種拓撲結構的均衡工作原理，對比分析各拓撲結構在性能表現上的優勢與局限。在此基礎上，詳盡論述國內外學者針對這些拓撲結構所開展的創新研究與改進嘗試，最后展望電池均衡技術的發展方向。

1 被動均衡

被動均衡采用電阻放電的方式，通過將高電量的單體電池中的一部分電能以熱能形式消耗掉，從而改善電池單體之間的電壓和電量不一致性。被動均衡的方式并未真正實現電能的有序分配，而只是通過損耗的手段來緩解部分電池組內部的不均衡情況。該方法往往以電池組內電量最低的單體為基準進行均衡，這意味著電池之間不僅沒有能量分配，而且無法為低容量單體補充能量[4-5]。除此之外，該技術經過多年研究已經非常成熟。按照控制方式可分為固定分流電阻均衡電路（圖2a）和開關型分流電阻均衡電路（圖2b）。

固定分流法通過在每個單體電池兩端并聯一個均衡電阻形成回路，該均衡電路無需外部控制，控制策略比較簡單。然而，因放電過程不可控，在實際應用中很少被采用。相較之下，開關分流法在固定分流電阻的基礎上串聯一個可控開關，該電路可采用2種控制模式：簡單控制模式和檢測模式[6]。在簡單控制模式下，所有單體電池由單個開關控制，通過控制開關的通斷來對不一致的單體電池進行均衡。在檢測模式下，系統會定時檢測各電池電壓，一旦發現不一致性單體電池，控制開關會選擇適當的導通路徑以實現均衡。相對于固定分流電阻均衡電路，開關分流法的均衡過程更加靈活，可減少能量損耗。

被動均衡的拓撲電路結構具有簡單的控制邏輯，容易在硬件上實現，而且成本相對較低，是當前均衡控制最常用的方案。然而，被動均衡的主要問題在于釋放電池的能量，導致相當一部分能量浪費。此外，電路熱效應顯著，需要及時通過熱管理系統散發出去，否則容易導致局部溫差較大，從而縮短電池的使用壽命，給電池的安全使用帶來潛在隱患。為規避上述問題，需減小均衡電流以控制元件的散熱，然而這會導致電池組的均衡時間變得較長[7-8]。因此，在被動均衡中，需在能量效率和熱管理之間尋找平衡，以確保電池組的安全性和性能表現。尤其是單一的被動均衡方案所存在的局限性，令上述問題更加凸顯。這也意味著在實際應用中，選擇合適的被動均衡方案時需要綜合考慮各方面的因素[9-10]。

如今，在均衡技術中主被動混合均衡的方式應用廣泛。圖3為多繞組變壓器與被動均衡結合電路，該方法巧妙融合了主動均衡與被動均衡各自的優勢，旨在實現經濟高效且穩定可靠的電池均衡控制。這種創新的混合均衡技術不僅顯著降低了整體系統的成本，更在均衡效率與系統穩定性之間實現了較好的平衡。通過精心設計與優化，電池管理系統能夠靈活適應各種工況，實現最佳的電池均衡效果，從而顯著提升電池組的整體性能與可靠性。馬春艷等[11]提出了一種基于多繞組變壓器均衡與被動均衡相結合的均衡方案。該方案所采用的均衡策略考慮了鋰電池SOC不同離散情況。試驗和模擬結果表明，該方案可提高均衡速度并降低電池組能耗。廖力等[12]研究了一種結合了單繞組反激變壓器均衡與被動均衡的新型均衡方案。該方案采用了基于區間搜索的時間優化算法，以在不同情況下提高均衡效率、均衡速度，并兼顧成本問題。試驗和模擬仿真結果驗證了該方案結構與控制策略的可行性，同時也驗證了時間優化算法在不同情況下的有效性。針對傳統Buck-Boost均衡電路只能對相鄰單體電池進行均衡的問題，高釗[6]提出了一種基于雙向橋式變換器均衡與被動均衡融合的拓撲結構。試驗結果表明，該均衡電路可明顯縮短均衡時間，提升均衡效率。劉威等[13]設計了一種自適應電阻器與隔離型DC-DC變換器相結合的主被動均衡拓撲電路。試驗結果表明，相比于基于集中式DC-DC均衡電路，該電路的均衡速度最高提升了13.3%。田麗永[14]提出了一種主動均衡與被動混合的均衡拓撲，并采用基于模糊控制的多種變量融合的均衡策略。測試結果表明，均衡后電池組單體之間的最大電池差為25 mV，有效減少了不一致性。寧雪峰等[15]發明了一種雙層主被動混合均衡電路，均衡電路結構簡單、開關損耗小，能夠有效減少能量損耗，提高能量傳輸效率。針對現有技術中電池系統存在整體容量損失的技術問題，樓沖等[16]發明了一種主被動一體化均衡控制方案，能有效減少電池單體間的性能差異和電壓差異，提高電池系統整體容量的損失。

2 主動均衡

主動均衡是一種運用電力電子器件控制電池之間能量轉移的方法，以實現電池組電壓的一致性均衡系統。與被動均衡不同，主動均衡通過主動調整電能分配，以調整電池之間的電荷分布，從而保持一致的電壓水平。主動均衡電路通常包括各種電子元件和控制策略，可在電池組內部實現準確的電能分配，進而提高整個電池系統的性能和穩定性。隨著電力電子技術的不斷發展，現存的主動均衡拓撲種類變得更加多樣。

目前常見的主動均衡電路拓撲結構包括基于電容、電感、變壓器和變換器等方式。它們的區別在于將電感、電容或變壓器作為能量轉換和緩沖的器件。這種多樣性提供了更靈活的選擇，以滿足不同應用場景和性能要求[17]。每種類型的主動均衡拓撲結構在均衡速度、電路成本、體積和效率等方面都各有獨特之處。相較于被動均衡，主動均衡擁有更高的能量利用率和均衡效率。然而，目前主動均衡技術面臨的挑戰在于在充分利用各種拓撲結構均衡優勢的同時，盡可能地均衡成本和復雜度控制難度。在不同應用場景下，選擇適當的主動均衡拓撲結構需要綜合考慮各方面因素，以實現最佳的性能和經濟效益。

2.1 基于電容的均衡拓撲結構

基于電容的電池均衡，即電荷轉移均衡，主要依賴于電容電壓不可突變的特性。它充分利用電容的電荷穿梭特性，將電容作為能量轉移的中間橋梁，實現單體電池均衡。通過根據單體電池間的電壓差調整開關的通斷狀態，將高電壓電池的電量傳遞給低電壓電池，實現能量在相鄰單體電池之間轉移[18]。這種均衡拓撲具有體積小、電路結構簡單、易于擴展和成本低等優點，因此在實際應用中得到廣泛使用。根據電路中開關和電容的數量不同，電池均衡電路可以分為多種類型，包括傳統開關電容、單開關電容、雙層開關電容、模塊化開關電容、鏈狀結構開關電容以及諧振開關電容等。這些不同類型的均衡電路在結構和工作原理上有所差異，典型結構如圖3所示。

圖4（a）為單電容拓撲結構，該結構以單個電容作為能量轉移通道，具有控制簡單、成本較低的優點。但大多數情況下，單個電容的傳輸滿足不了均衡速度上的要求。圖4（b）所示的開關電容拓撲結構，能進一步改善均衡速度，但仍受限于均衡速度。為改善這一不足，國內外學者提出了更為優化的拓撲結構，如鏈狀結構開關電容均衡拓撲（圖4c）。該結構通過優化的開關控制和電容配置，給能量傳輸提供了更多的通道，能夠有效提高了均衡速度，但在實際應用中應較高的開關電壓應力，會使穩定性下降。模塊化開關電容均衡拓撲采用將總體拓撲結構分為眾多子模塊的方法，不僅可以實現模組內的能量傳遞，而且可以進行模組間的能量轉移，顯著提升了電池組的一致性和穩定性（圖4d）。

電容均衡電路在實際使用中也存在很多問題。由于能量的轉移僅能通過電壓差進行控制，當電容電壓與均衡目標電壓差較小時，均衡速度顯著下降，導致電池均衡效果不理想。尤其是當不一致電池單體距離較遠、均衡目標較多時，均衡效率下降明顯，可能出現電量損耗現象，從而使能量效率降低。此外，過多的開關增加了控制的難度，同時也帶來了開關器件上的能量損耗[21]，這進一步限制了電容均衡在高精度均衡方面的適用性。Baughman等[22]設計了一種2層電容的均衡拓撲結構。試驗結果表明，該均衡拓撲結構能夠通過增加電荷交換路徑，有效提高了均衡速度。針對傳統開關電容變換器的能量損害問題，黃驛舟[23]提出了一種可實現零電壓開通和軟充電的開關電容拓撲結構。試驗和模擬結果均驗證了該拓撲結構可行性。針對傳統飛渡電容式均衡技術無法實現跨電池均衡、電池數目較多時均衡速度較慢和結構復雜等問題，陳煌[24]提出了一種高性能的飛渡電容均衡拓撲結構。試驗和模擬結果表明，該方案有效減少電路損耗，縮短均衡時間。與傳統飛渡電容均衡技術相比，該方案避免了無法實現跨電池均衡的局限性，同時有效減少了開關損耗，進一步提高了均衡速度。邢程等[25]發明了一種單電感單電容串聯電池組自適應主動均衡方法，該方案僅利用一個電感電容串聯電路就能夠實現充放電均衡，控制簡單，且有效減少了拓撲體積。KANG等[26]發明了一種電感（Inductance， L）電容（Capacitance， C）串聯諧振電路及均衡控制方法，能有效減少均衡時間，提高均衡效率。Wang等[27]提出了一種基于飛渡電容的均衡方法，能快速平衡相鄰2個單元間電池的電壓。

2.2 基于電感的均衡拓撲結構

基于電感的均衡拓撲主要依賴于電感電流不可突變的特性，將電感作為能量傳遞的載體。通過精確控制開關的導通與關斷，首先將電量較高的單體電池中多余的電量轉移到電感中儲存。隨后，通過形成能量傳輸通道，將電感中儲存的電量傳遞給電量較低的單體電池，從而實現電池之間的均衡。這種設計充分利用了電感的能量儲存和傳遞特性，通過控制電流的流向，有效地調整電池組中各單體電池的電量分布，達到均衡的目的。目前常見的基于電感的均衡電路主要分為單開關電感均衡電路和多開關電感均衡電路，見圖5。

電感均衡拓撲具有簡單結構、易于控制和較低的成本優勢。相較于電容均衡拓撲的局限性，電感均衡電路通過電流傳遞能量，即使相鄰電池單體間的電壓差異較小，仍可有效實現均衡。這使其特別適用于充放電始末端電壓變化較快的電池系統。然而，電感均衡也存在一些不足之處。由于其結構的限制，當電池組串聯數目較多、能量傳輸路徑較長時，無法同時對多個電池進行均衡，從而導致均衡速度減緩，并引起一定的能量損耗。這一局限性需在實際應用中謹慎考慮，特別是對于大規模電池系統。針對傳統多開關電感型均衡電路只能在相鄰單體進行均衡，均衡速度慢，元器件較多的問題，吳磊威[28]設計了一種基于開關電感與諧振式LC支路的均衡電路拓撲結構。試驗結果表明。該結構能有效控制成本，提高均衡速度。郭向偉等[29]提出了一種基于LC-L的串聯電池組均衡拓撲結構。具有均衡速度快、電路結構簡單且易擴展的特點。劉智軒[30]設計了一種基于電感的改進型雙路交錯并行架構均衡拓撲，試驗證明該結構有效提升了均衡速度，但其電路結構復雜，且電感數量較多，成本高。針對傳統式雙層電感主動均衡電路（Active Equalization Circuit， AEC）拓撲結構，第一層電路逐節傳遞的問題，劉曉飛[31]研究了一種改進的雙層電感主動均衡拓撲結構，該結構在多工況下比傳統式雙層電感AEC所需的均衡時間要短，但仍存在電路拓撲結構復雜，成本高的問題。寧雪峰等[32]設計了一種雙層電感開關的均衡電路調控方法及系統。實現了儲能系統內部電池單體之間的實時均衡，有效解決了因儲能單元SOC不一致導致整體電容量下降的問題，相較于傳統方法具有顯著優勢。黃偉等[33]研究的均衡電路拓撲結構，實現了單體電池間和電池組與單體電池間的有效均衡，解決了模塊組中間兩節單體電池無法均衡的問題，顯著提升了均衡效率。

2.3 基于變壓器的均衡拓撲結構

與上述2種均衡模式不同，基于變壓器的均衡拓撲結構屬于隔離型均衡。該均衡利用變壓器作為能量存儲和傳遞元件，通過變壓器的互感作用實現電能與磁能的互相轉換，從而進行能量傳遞。均衡過程中當檢測到電池電量不一致時，電量較高的電池單體或電池組首先將能量存儲在初級繞組中，然后通過互感器將能量傳遞到次級繞組上，最終通過控制開關將次級繞組上的能量傳遞給低電量的電池單體或電池組，以達到均衡效果。常見的變壓器均衡拓撲結構包括單繞組變壓器拓撲與多繞組變壓器拓撲，其典型結構如圖6所示。

單繞組變壓器式均衡拓撲又稱為開關變壓器式均衡拓撲，當檢測到電量不一致電池單體時，通過控制開關的通斷來選擇合適的路徑進行能量轉移。因原邊與副邊的線圈互不接觸，不受均衡電流大小的制約，故可采取提高均衡電流大小的方式提高均衡效率。

多繞組變壓器存在正激模式和反激模式，其核心差異體現在能量傳遞的方式和工作機制上。正激模式在開關管導通時傳遞能量到負載，而反激模式則在開關管關斷后釋放能量到負載。這兩種模式各具特色，適用于不同的應用場景。

相較于單繞組變壓器，多繞組變壓器結構擁有更多的副邊繞組，每個副邊與相應的電池單體和開關器件組成單個回路。在這種結構中，單芯原邊變壓器可以實現電能的雙向傳輸，即可以從單元獲取電能，也可以將電能傳回給相應的單元。這一設計使得系統的能量傳輸效率更高，因為它消除了開關損耗。

然而，多繞組變壓器的優勢也伴隨著一些不足之處。隨著串聯電池數量的增加，變壓器線圈繞制使得電路的復雜度遞增，電路成本也隨之提高。此外，存在漏感問題可能對系統性能產生一定的影響。任詩雨[34]研究了一種基于三繞組反激式變壓器的多層主動均衡拓撲結構，用于鋰電池組。該結構能夠實現子電池組與電池組之間、以及子電池組與子電池組之間的能量轉移。劉征宇等[35]提出了基于耦合繞組的鋰電池組主動均衡拓撲結構，試驗數據表明，在均衡速度上該拓撲與Buck-Boost拓撲相比，均衡速度提升了21%，與Flyback拓撲相比，提高了12%，且兼顧了均衡效率和成本問題。繆家森[36]設計了一種雙向正激電路的均衡拓撲，能夠實現雙向的電路均衡。均衡一定時間后電池組初始SOC最大差異降到5%以內，且電池分散度有效降低。張金磊等[37]提出了一種新型的多繞組變壓器均衡系統拓撲，該均衡拓撲有效避免了多繞組變壓器的渦流效應，顯著提升了其可靠性。

2.4 基于變換器的均衡拓撲結構

基于變換器的均衡拓撲結構利用DC/DC變換電路作為能量轉移的橋梁，通過將能量從高能量電池單體或電池組轉移到低能量電池單體或電池組，實現均衡的目的。這種均衡拓撲結構通常需要利用電容、電感或變壓器等能量儲存和傳遞元件。相比其他類型的均衡電路，基于變換器的均衡結構具有較高的控制精度和良好的均衡性能，因此成為當前主動均衡研究的重點之一。與此同時，較高的集成度也帶來了結構復雜和成本較高的問題。常見的基于變換器的均衡拓撲構包括Buck、Boost、Buck-Boost和Cuk拓撲，其典型結構如圖7所示。

Boost、Buck均衡拓撲通常為單向均衡，使用升壓/降壓變換器將能量從低/高電壓電壓的電池單體轉移到高/低電壓的電池單體，實現能量均衡[38]。

Buck-Boost均衡拓撲結構相對簡單，通過DC/DC變換器將高電量單體電池的電能傳輸至儲能裝置中，然后轉移至低單體電池。該結構所需元件較少并且控制比較簡單，可以實現電池之間能量的單向或雙向傳遞，但當不一致性電池數目較多時，電量傳輸過程會出現支路電流疊加的情況，衡速度和均衡效率也會相應降低。Buck-Boost電路適合雙向均衡控制器的高效模塊化設計，均衡速度較快但成本相對較高，設計也較復雜[39]。周英杰[40]針對傳統Buck-Boost均衡電路在電池數量增多時，均衡時間長，效率低等問題，提出了一種改進Buck-Boost的分層均衡電路拓撲結構，并將單體電池和電池包的SOC值作為均衡變量。試驗結果表明，在靜置狀態下分層均衡所需時間比直接均衡快9.18%，且均衡后分層均衡的容量比直接均衡高1.1%。針對傳統Buck-Boost電路拓撲結構復雜、均衡損耗大等缺點，劉飛等[41]發明了一種控制難度小、電路簡單、單體均衡速度一致的新型拓撲結構，能有效改善現有Buck-Boost型均衡拓撲的部分缺點。

Cuk均衡拓撲結構也可實現能量雙向傳遞，但當均衡單體數量增多時，會大大增加元件成本和控制難度，且均衡速度及均衡效率也會受到影響。且僅能在相鄰的電池單體之間進行能量傳遞，實用性受限。胡治國等[42]提出了一種基于雙向DC-DC變換器的串聯電池組主動均衡電路。通過將雙向MOS管和緩沖電路RLD與雙向對稱變換器相連，以電壓和SOC雙變量作為均衡策略。該結構能有效減少能量損失，提高均衡效率。闞加榮等[43]公開一種基于雙向Cuk斬波電路的“E”型鋰電池均衡器，一方面縱向Cuk電路的使用，有效的降低了元件成本及拓撲體積，簡化了控制；另一方面“E”型均衡方式的引入縮短了電池單元間的均衡路徑，實現了快速均衡。

3 各均衡拓撲特征對比分析

根據具體應用需要，選取合適的均衡拓撲至關重要，因此全面了解各中均衡拓撲的特點非常必要。

被動均衡拓撲結構簡單、成本低、控制容易，但均衡速度慢且電路熱效應顯著，因此適用于小電流低功率場景。對于均衡速度有一定要求且預算緊湊的情況，可考慮電感均衡拓撲結構和電容均衡拓撲結構，其中電感均衡拓撲適用于充放電始末端電壓變化較快的電池系統，電容均衡拓撲因其電壓差控制機理，適用于精度要求不高的場景。變壓器均衡拓撲結構因其隔離傳輸的特性，適用于高電壓、大電流的應用場景，但因其體積大、成本高、控制復雜、且存在漏感現象，普及受限。變換器均衡拓撲因均衡效率高、且便于集成的特點使其成為預算充足情況下的首選，但復雜的控制技術也阻礙了其推廣。

表1及圖8對各基本均衡拓撲的多個方面進行了對比分析，可直觀的分析各種電路拓撲結構的優缺點，便于對不同的適用范圍做出合理的拓撲結構選擇。

4 結束語

電池均衡問題作為儲能重要問題一直是研究的熱點，而電池均衡技術作為有效解決電池均衡問題的關鍵技術受到廣泛關注。

本文對鋰離子電池組均衡拓撲結構的研究進展進行了系統綜述，對被動均衡方式和主動均衡方式的拓撲結構進行了橫向比較，分析其均衡拓撲結構及其均衡原理，揭示所具有的優點及存在的不足之處。縱向闡述了近年來學者們在現有拓撲結構的基礎上，考慮經濟成本、電路體積、復雜度等因素所做的改善研究。雖然近年來在理論研究和實際應用方面取得了一定的突破，但仍然面臨著如何在提高均衡精度、均衡速度和均衡效率的同時解決電路復雜性和成本的綜合難題。對于均衡技術來說，未來的研究重點在于優化均衡策略的控制算法使其更加智能化，設計經濟高效多樣的均衡拓撲電路，提升整體均衡效率減少能量損耗，以達到高水平的均衡效果，確保電池均衡技術長足發展。

參考文獻

[1] YANG Z， ZHANG J， KINTNER-MEYER M C W， et al. Electrochemical Energy Storage for Green Grid[J]. Chemical Reviews， 2011， 111（5）： 3577-3613.

[2] 陸文祺. 電動汽車鋰離子電池均衡控制技術研究[D]. 廣西： 廣西科技大學， 2019.

[3] 蔡敏怡， 張娥， 林靖， 等. 串聯鋰離子電池組均衡拓撲綜述[J]. 中國電機工程學報， 2021， 41（15）： 5294-5311.

[4] HAN W， ZHANG L. Battery Cell Reconfiguration to Expedite Charge Equalization in Series-Connected Battery Systems[J]. IEEE Robotics and Automation Letters， 2017， 3（1）： 22-28.

[5] REHMAN M M U， EVZELMAN M， HATHAWAY K， et al. Modular Approach for Continuous Cell-Level Balancing to Improve Performance of Large Battery Packs[C]//2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）. IEEE， 2014： 4327-4334.

[6] 高釗. 融合主被動均衡控制的動力電池BMS實現[D]. 西安：長安大學， 2023.

[7] 黃燕琴， 聶金泉， 王敖， 等. 鋰離子電池不一致性綜述[J]. 時代汽車， 2022， 5： 102-107.

[8] 熊瑩燕. 鋰離子電池SOC估計及均衡控制研究[D]. 南昌： 江西理工大學， 2022.

[9] HUA Y， CORDOBA-ARENAS A， WARNER N， et al. A Multi Time-Scale State-of-Charge and State-of-Health Estimation Framework Using Nonlinear Predictive Filter for Lithium-Ion Battery Pack with Passive Balance Control[J]. Journal of Power Sources， 2015， 280： 293-312.

[10] GALLARDO-LOZANO J， ROMERO-CADAVAL E， MILANES-MONTERO M I， et al. A Novel Active Battery Equalization Control with On-Iine Unhealthy Cell Detection and Cell Change Decision[J]. Journal of Power Sources， 2015， 299： 356-370.

[11] 馬春艷， 王慶龍， 張迪， 等. 基于SOC的串聯連接鋰電池能量均衡控制研究[J/OL]. 電源學報， [2023-12-20]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.TM.20220215.1535.010.html.

[12] 廖力， 張瑾， 汪屹， 等. 基于時間優化算法的鋰離子電池主被動均衡[J]. 電池， 2023， 53（4）： 393-397.

[13] 劉威， 王友仁， 許煜辰， 等. 基于自適應選擇主被動均衡拓撲的機載鋰電池電源能量均衡方法[J]. 儀器儀表學報， 2022， 43（2）： 244-252.

[14] 田麗永. 基于主被動混合均衡的電池組管理策略研究與電路實現[D]. 杭州： 杭州電子科技大學， 2019.

[15] 寧雪峰， 蘆大偉， 李龍， 等. 雙層主被動混合均衡電路： CN202310443543.X[P]. 2023-07-28.

[16] 樓沖，趙德驥，舒瑛，等.一種電池均衡控制系統、方法和電池： CN202410306470.4[P].2024-06-14.

[17] SHANG Y， XIA B， ZHANG C， et al. An Automatic Equalizer Based on Forward–Flyback Converter for Series-Connected Battery Strings[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017， 64（7）： 5380-5391.

[18] 徐封杰. 基于電感的電池主動均衡研究[D]. 合肥： 合肥工業大學， 2018.

[19] KIM M Y， KIM C H， KIM J H， et al. A Chain Structure of Switched Capacitor for Improved Cell Balancing Speed of Lithium-Ion Batteries[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 61（8）： 3989-3999.

[20] DU J， WANG Y， TRIPATHI A， et al. Li-Ion Battery Cell Equalization by Modules with Chain Structure Switched Capacitors[C]//2016 Asian Conference on Energy， Power and Transportation Electrification （ACEPT）. IEEE， 2016： 1-6.

[21] BARONTI F， FANTECHI G， RONCELLA R， et al. High-Efficiency Digitally Controlled Charge Equalizer for Series-Connected Cells Based on Switching Converter and Super-Capacitor[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2012， 9（2）： 1139-1147.

[22] BAUGHMAN A C， FERDOWSI M. Double-Tiered Switched-Capacitor Battery Charge Equalization Technique[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2008， 55（6）： 2277-2285.

[23] 黃驛舟. 軟開關型Ladder開關電容變換器及其在電池均衡中的應用研究[D]. 武漢： 武漢理工大學， 2021.

[24] 陳煌. 一種高性能的飛渡電容均衡技術[D]. 武漢： 湖北工業大學， 2020.

[25] 郭向偉， 邢程， 曾志輝， 等. 一種單電感單電容串聯電池組自適應主動均衡方法： CN202111057453.4 [P].2023-06-27.

[26] KANG K B， LEE M K， CHUNG C Y， et al. BATTERY CELL BALANCING METHOD： US201615064831 [P]. 2016-09-22.

[27] WANG R， XU M， ZHAO Q. Battery Balancing Circuit Balancing Voltages between Battery Units with AFly Capacitor： US201816032004[P]. 2020-12-29.

[28] 吳磊威. 基于開關電感與LC支路的鋰電池組均衡技術研究[D]. 廣州： 華南理工大學， 2022.

[29] 郭向偉， 劉震， 胡治國等. 基于LC-L儲能的串聯電池組均衡方法研究[J]. 電源學報， 2022， 20（4）： 78-85.

[30] 劉智軒. 鋰離子電池主動均衡系統與荷電狀態估計研究[D].西安： 長安大學， 2023.

[31] 劉曉飛. 車載動力串聯鋰離子電池組的主動均衡控制設計與驗證[D]. 西安： 西安理工大學， 2023.

[32] 寧雪峰， 蘆大偉， 李龍， 等. 雙層主被動混合均衡電路： CN202310443543.X [P]. 2023-05-23.

[33] 黃偉， 李笑， 范耀華. 一種鋰電池快速均衡電感式拓撲電路： CN201910299288.X [P].2024-02-13.

[34] 任詩雨. 基于三繞組反激式變壓器鋰電池組多層主動均衡研究[D].淮南： 安徽理工大學， 2022.

[35] 劉征宇， 夏登威， 姚利陽， 等. 基于耦合繞組的鋰電池組主動均衡方案研究[J]. 電機與控制學報， 2021， 25（2）： 54-64.

[36] 繆家森. 儲能鋰電池組SOC估算及均衡控制策略研究[D]. 南京： 南京師范大學， 2020.

[37] 張金磊， 李晨光， 陳小平， 等. 一種新型的多繞組變壓器均衡系統拓撲： CN202011598344.9 [P]. 2021-03-12.

[38] 王雙. 動力電池主動均衡系統及控制策略研究[D]. 杭州： 杭州電子科技大學， 2022.

[39] WANG Y， ZHANG C， CHEN Z， et al. A Novel Active Equalization Method for Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles[J]. Applied Energy， 2015， 145： 36-42.

[40] 周英杰. 基于改進Buck-Boost的分層均衡電路研究[J]. 電工材料， 2023（1）： 1-5.

[41] 劉飛， 莊一展， 劉舟揚， 等. 一種采用雙向buck-boost及串聯LC的電壓均衡拓撲及控制方法： CN202010870584.3 [P]. 2020-12-04.

[42] 胡治國， 司少康， 朱富超. 基于雙向DC-DC變換器的串聯電池組主動均衡電路[J]. 全球能源互聯網， 2023， 6（6）： 650-659.

[43] 闞加榮， 王淼， 鄭皓文， 等. 基于雙向Cuk斬波電路的“E”型鋰電池均衡器： CN202210354506.7[P]. 2022-08-09.