串联电池组有源均衡拓扑结构综述

陈 洋，刘晓芳，杨世彦，邹继明

(哈尔滨工业大学 电气工程学院，黑龙江 哈尔滨150001)

引言

随着人类活动的不断增加，能源危机与环境污染日益成为人们关注的热点问题。各种新能源技术层出不穷，随之而来的对储能技术提出了更高的要求，串联电池组由于其具有功率密度较高，技术相对成熟等优点，已被广泛应用于电动汽车、空间电源、功率脉冲装置以及新能源发电等一些技术领域[1-3]。目前，由于各单体电池能量与容量的限制，不能满足大功率等级负荷的要求，因此电池大多采用串联的连接方式。但是由于各单体电池在制造过程中初始容量、等效串联内阻、温度、电压、漏电流等诸多方面都存在着差异，在使用过程中，参数的这种分散性会造成串联电池组各单体充放电不一致，具体表现为某个单体电池或某些电池的过充或过放现象。而对于整个串联电池组而言，其有效容量由这些容量最弱的单体决定，整个电池组长期地处于这种非正常的充放电状态，会加剧电池单体间参数的不一致性，进而导致整个串联电池组容量的降低，不能正常工作，这不仅会造成电池组安全性能的降低，其寿命也会大打折扣[4]。因此，要实现串联电池组的广泛应用，对串联电池组各单体进行均衡控制是具有理论指导和实际价值的。

1 均衡拓扑结构的分类

均衡拓扑结构从整体上大致可分为无源均衡拓扑和有源均衡拓扑，如图1所示。

图1 均衡拓扑结构分类

无源均衡拓扑出现的较早，以ICE能耗式均衡拓扑、高速开关电容网络均衡拓扑和飞跨电容式均衡拓扑结构较为常见。ICE能耗式均衡方法非常成熟，可靠性高，在小容量、低电流等级的均衡中应用较为广泛，但由于其损耗尤为严重，所以不适合用于输出功率较大的场合。高速开关电容网络均衡拓扑与飞跨电容均衡拓扑通过电容实现能量的快速交换，效率较高，且不需要传感器或是闭环控制，可用于各类电池。但在实现上需要大量的开关器件，导通瞬间冲击电流很大，容易出现电弧或电磁干扰[5-7]。

大多数有源均衡拓扑结构都是依据开关电源的原理设计出来的。有源均衡拓扑结构属于储存能量式均衡电路，不存在能量损失，也不需要复杂的控制电路和额外的开关网络，是目前应用较多的均衡拓扑结构。本文将对有源均衡拓扑结构重点介绍。

2 集中式均衡拓扑

所谓集中式均衡拓扑，即整个串联电池组共用一个均衡器，通过变换器分压技术将能量分配到各个单体电池，从而实现整个电池组与单体电池间的能量传递。该种均衡拓扑一般结构比较简单，易于控制。

2.1 多输出绕组变压器集中式均衡拓扑

多输出绕组变压器集中式均衡结构，如图2所示，它主要是通过整个电池组与所要均衡的单体之间进行能量交换，从而实现均衡。该均衡拓扑结构所需的开关数量小、均衡速度快、均衡效率高，控制简单，无需闭环控制就可以实现电池组的充电均衡与放电均衡。但该种均衡结构存在着不易扩展、副边绕组数量多、变压器设计困难、维修成本高等问题，因此该均衡拓扑一般适用于串联单体数量较少的中小功率场合。为了减小变压器副边绕组的数量，多输出绕组变压器均衡结构又发展出了半桥变换器均衡电路结构。

图2 多输出绕组变压器集中式均衡拓扑结构

为了实现能量的双向流动，Kuhn[8]等人对上述结构进行了改进，如图3所示，变压器副边采用双向开关，既可实现防过充又可实现防过放功能，由于开关管的数量大幅度增加，电路的复杂程度也大大增加。

图3 多输出绕组变压器双向集中式均衡拓扑结构

随着对均衡拓扑研究的不断深入，人们对于均衡效率、均衡速度有了更高的目标。在提高均衡效率方面，Du Weijing[9]等人提出了一种基于E型结构的充电均衡电路，如图4所示。由于E型变换器的引入，整个电路只需一个有源开关即可，控制电路简单，由于E型变换器具有零电压开通的特性，可有效地减小开关损耗，提高均衡效率。

图4 基于E型变换器的集中式均衡结构

Y.C.Hsieh[10]等也提出了相应的改进方案，如图5所示。Cs与变压器的励磁电感构成LC振荡回路，一方面可以保证磁芯的可靠复位，另一方面也可以实现软开关从而降低开关损耗。该均衡电路可实现单体电池之间能量的直接传递，因此均衡效率较高。

图5 多输出绕组变压器集中式均衡改进结构

对于多输出绕组变压器而言，绕组间参数的一致性问题是一个研究的难点与重点，为改善绕组间的参数不一致，可以采用同轴多绕组变压器（CWT），如图6所示。同轴多绕组变压器的漏感较低，所有的绕组都缠绕在同一个公共的磁芯上，因此绕组的磁通量和电压均相同。理论上分析，采用同轴多绕组变压器均衡技术可以使储能电池组单体间的电压得到完全均衡，但就现有的制造工艺水平而言，难以保证各储能单体间电压的真正一致，因此该均衡技术也不适用于串联单体数目较多的场合。

图6 同轴变压器结构示意图

为提高均衡速度，Li Siqi[11-12]等和Abusaleh M[13]等人分别提出了改进方案，如图7、图8所示。图7所示拓扑结构属防过充的放电型均衡电路，通过将电压过高的单体电池的能量反馈到整个电池组从而实现电压均衡。该均衡电路均衡速度快、成本低、磁性元器件少，因而电路体积较小；但由于电路结构中开关器件与二极管较多，不适宜较多单体串联的场合。

图8 所示电路为充电型均衡电路[14]，整个电路有一个公共的开关管和箝位二极管，电路中有源器件的数量得以减小。该均衡方案能量由整个电池组直接向过放的电池充电，因此均衡速度快。Hong-Sun Park[15]等对图8所示拓扑进一步改进，提出了两层均衡拓扑结构，如图9所示。该均衡方案避免了过多能量传递的中间过程，有效地避免了能量在回馈过程中的损失，从而提高了均衡效率。

2.2 基于Buck-Boost拓扑结构的集中式均衡拓扑

图7 基于反激变压器的放电型集中式均衡结构

图8 基于反激变压器的充电型双开关均衡拓扑

由Kutu提出的采用电流转移的方式来完成能量均衡的Buck-Boost变换器集中式均衡拓扑结构，如图10所示。该均衡结构的每个均衡模块均是一个Buck-Boost电路。如果某个单体电池电压过高，其对应的开关管开通将能量存储在对应的分流电感中。当开关管断开时，分流电感中的能量将转移到其下的单体电池中，依此类推，最后一个单体电池的能量通过反激变压器回馈到电源总线以构成均衡能量的传递路径。

图9 基于反激变压的两层式均衡拓扑

图10 Buck-Boost集中式均衡电路

图11 带Cr的升降压变换器集中式均衡结构

C.S.Moo,Y.C.Hsieh等人对上述Buck-Boost电路进行了改进，采用一个临时存储能量的电容器Cr，同时利用一套单独的Buck-Boost电路将Cr中的能量反馈回电压总线，其电路结构如图11所示。该种均衡技术是利用电力电子电路来实现能量在不同电池单体间的流动，无能量损失，但是当串联电池组内不均衡的电池单体出现的位置不相邻时，能量的传输路径长，均衡速度变慢，效率降低。

2.3 基于升降压变换器衍生结构集中式均衡拓扑

升降压电路衍生结构集中式均衡技术拓扑结构与Buck-Boost集中式均衡拓扑结构相类似，如图12所示。图（a）中的电路结构采用升降压变换器作为均衡主电路，它通过将单体电池的最高能量转移到其他的串联电池组，实现从上到下的能量传递。图（b）为升降压电路的另一种衍生结构。该电路将多个串联电池组作为输入，将电压最低的单体电池作为负载。该电路是将（a）图所示的电路中的开关管与二极管的位置对调，均衡速度有很大提高。

图12 基于升降压变换器集中式均衡拓扑结构

Fabien Mestrallet[16]等提出的均衡拓扑结构将上述两种拓扑结构的功能融合在一起，其拓扑结构如图13所示。由于电路结构是基于电池单体自然均衡的原则，因此无需电压电流的检测与控制。

C˙uk变换器与Buck-Boost变换器结构相似，如图14所示。相同工作条件下，C˙uk变换器传递的能量更多，可降低对电感电流峰值的要求，有利于提高均衡电路的效率，但均衡结构复杂，不易于扩展。

图13 基于升降压变换器衍生结构集中式均衡拓扑

图14 基于C˙uk变换器的集中式均衡拓扑结构

上述衍生结构大都采用电容或电感作为储能元件，存在容量有限、能量分为多次转移、开关频繁切换等问题，会造成能量损耗与均衡效率的降低。为了解决这些问题，中国农业大学提出了一种新型的基于升降压变换器与开关网络组合的均衡拓扑结构，如图15所示[17]。该拓扑结构的优势在于采用一套功率回路，并且将蓄电池作为能量转移的载体，可以在充放电的过程中一次性地将处于不均衡状态的电池中的能量转移到负载电池中，这有利于减小能量损失，提高均衡效率。但由于该电路结构采用了继电器开关，触点较多，容易产生电孤且扩展性较差。

图15 基于升降压变换器衍生均衡结构集中式均衡

3 分布式均衡拓扑

所谓分布式均衡技术，即每一个单体电池都有一套专门的均衡模块，该均衡技术一般需要大量的功率器件，因此控制信号多，控制电路复杂，整个系统成本较高，其优势在于灵活度高，易于实现模块化，方便电池的扩展。

3.1 基于反激变压器的隔离式DC/DC变换器分布式均衡拓扑

基于反激变压器的隔离式DC/DC变换器分布式均衡拓扑结构如图16所示，其中图（a）为单向DC/DC变换器分布式均衡拓扑结构，图（b）为双向DC/DC变换器分布式均衡拓扑结构，隔离结构以反激式结构最为常见。该种结构的均衡电路设计的功率变化范围宽，同时采用高频工作亦可使设备体积小型化，分布式的结构方便布局，适用于狭小的空间。

图17 三单体直接均衡电路

从体积、重量、成本以及工作的可靠性来看，双向变换器具有更大的优势，是未来的发展趋势。但双向变换器电路结构中需要的开关管较多，因此构建的系统结构复杂、体积庞大。

在有源变换电路可合理实现的条件下，均衡电路能够直接均衡的单体数量越多越好，同时考虑到电路的可实现性，文献[18]提出了三单体直接均衡电路，如图17所示。三单体直接均衡电路能够实现相邻三个串联储能单体中的任意两个单体间直接能量双向传递，非相邻储能单体（或电源模块）无需均衡时，均衡过程可实现能量跨越式地直接变换和传递，而无须借助于中间单体进行二次均衡能量变换和传递，有利于缩短均衡过程的能量传递路径并提高均衡效率。但是当串联储能系统电压等级较低时，该结构的均衡效率比较低。

文献[19,20]设计了一套基于上述三单体直接均衡电路的九单体串联系统，该系统采用树状分层的形式，如图18所示，将系统分为三层，同层或是上下层模块之间通过CAN总线进行数据通讯，该系统均衡效率高，均衡速度快，且便于模块化设计。

3.2 基于升降压变换器的分布式均衡拓扑

该种均衡拓扑无能量损失，可实现充电和放电情况下的均衡，同时它可适用于大功率的设计，高频条件下工作可大大减小设备的体积，方便在狭小的空间内进行布局；但是当串联电池组内不均衡的电池单体出现的位置不相邻时，能量的传输路径长，均衡速度变慢，效率降低，其拓扑结构如图19所示。

Chen Min[21]对图19所示均衡拓扑做了改进，其均衡拓扑结构如图20所示。与图19所示均衡电路结构相比，该种均衡方案结构简单、体积小、成本低、且模块化强、均衡效率高。

图19 基于Buck-Boost变换器分布式均衡结构

图20 基于升降压变换器衍生结构分布式均衡

图21 基于升降压变换器衍生结构分布式均衡

Lu Xi[22]等人提出了一种将Buck-Boost与Cuk电路组合起来的均衡拓扑结构，如图21所示。该均衡方案同样易于实现模块化，便于电池组的扩展，且开关管的电压应力较低，均衡效率高。

图19 、图20与图21所示电路都存在着当串联单体较多，失衡的单体位置不相邻时，均衡路径长、均衡速度慢的问题，Sang-Hyun Park[23-25]等人提出了改进电路，如图22所示。该均衡方案将能量从最高的电池单体转移到最低的电池单体，每节电池两端都有两个单向的传递通道，但采用的开关管与二级管数量较多，在电路实现上增加了驱动电路的负担，不易于电池的扩展。

图22 基于升降压变换器衍生结构分布式拓扑

图23 基于升降压变换器衍生结构分布式拓扑

为进一步提高均衡速度，实现串联电池组的双向均衡，Ki-Bum Park[26]等提出了能够实现电池单体间直接均衡的基于多绕组变压器的均衡结构，如图23所示。每节电池都与一个双向开关相连，其中上面的开关为其提供充电回路，下面的开关为其提供放电回路，通过动作相应的开关管在Buck-boost或反激变换器模态下运行以实现单体电池与单体电池之间的均衡。该均衡方案的均衡过程可以在两步以内完成，因此均衡速度得以提高。

3.3 基于谐振变换器的分布式均衡拓扑

谐振变换器分为零电压准谐振变换器和零电流准谐振变换器。准谐振变换器均衡电路不同于其他均衡电路，它不需要复杂的控制电路来产生驱动信号，谐振电路既能完成能量的传递又可以产生驱动信号。Cheng Ming-Wang[27-28]等提出了基于零电流谐振变换器的开关电容均衡拓扑结构，如图24所示。与传统的硬开关电路相比，该方案EMI小、MOSFET电流应力小且均衡效率高。

图24 基于零电流谐振变换器的分布式均衡拓扑

图25 基于ZCZVS谐振变换器的分布式均衡拓扑

为了获得更高的均衡效率，Tae-hoon Kim[29]等人提出了一种新型的零电压零电流均衡电路，如图25所示。该均衡方案是基于电感电压二次均衡和变压器耦合来实现的，提高了均衡速度与均衡效率，由于软开关的存在，电路的工作频率得以提升，减小了体积与成本，该均衡拓扑易于实现模块化，方便电池的扩展。

表1 不同均衡拓扑结构性能对比分析

综合上述各种均衡方法，对几种比较典型的均衡拓扑结构性能进行了对比分析，如表1所示。

4 结论

有源均衡拓扑结构除上述分类方法，从均衡过程能量损耗角度划分，可分为有损均衡和无损均衡；从均衡能量传递角度划分，可分为单向均衡和双向均衡；从参与均衡单体数量角度划分，可分为局部到整体、整体到局部和单体到单体均衡。

综合上述的各种串联电池组的均衡方法，尽管种类繁多，性能特点各异，均无法在均衡效率、均衡速度与均衡系统复杂程度方面实现兼顾。

(1)提高均衡效率的手段包括减小均衡电路器件损耗与减少均衡过程能量转换次数。但当多个单体串联时，上述电路复杂程度大大提高，电路可靠性难以保证，均衡效率也会受到影响。

(2)主流的提高均衡速度的方法，虽可实现均衡路径短，均衡速度快的目的，但均衡过程中能量存在重叠，均衡效率受到严重制约。

(3)目前结构简单，易于控制的电路结构不宜于电池组的扩展；而灵活度高，易于实现模块化的电路却存在电路控制信号复杂的问题，制约了其使用。

总之为解决上述问题，开展兼有均衡损耗小、均衡速度快、线路结构简单的有源均衡拓扑结构的研究是今后的发展趋势，这将有助于提高均衡系统性能，拓展均衡技术的应用领域。

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