基于电感器的模块化分层主动均衡方法显著提升串联电池组一致性与循环寿命

为解决锂离子电池串联成组时单体间一致性差异导致的能量利用率低、循环寿命缩短及安全隐患问题，研究人员提出了一种基于电感器的模块化分层主动均衡方法。该研究结合电感均衡高精度特性设计拓扑结构，开发自适应控制策略，实验验证其在9节串联电池组中实现快速均衡（612秒完成）、低成本（器件数量减少30%）和简化控制（仅需调控2个MOSFET）。成果发表于《Next Energy》，为大规模电池储能系统提供了高效可靠的均衡解决方案，显著提升系统安全性和经济性。

　　

随着可再生能源占比提升，电池储能系统(BESS)成为电力系统灵活调节资源的关键。然而锂离子电池单体电压低，需大量串联成组使用，而制造工艺差异导致单体间不可避免存在一致性差异。这种差异在串联电池组中会被放大，引发过充/过放风险，严重影响电池组能量利用率、循环寿命甚至引发热失控。传统均衡方法在电池数量多时面临均衡对象识别困难、速度慢等问题，而现有电感均衡方案普遍存在拓扑复杂、成本高、控制繁琐等缺陷。

为突破这些瓶颈，国内研究人员在《Next Energy》发表研究，提出创新性的模块化分层主动均衡方法。该研究通过构建以3节电池为单元的模块化拓扑，结合电感器能量转移特性，实现了组内任意单体与组间模块的双向能量调配。关键技术包括：1）采用含反向二极管的开关阵列单元降低MOSFET数量；2）设计基于电压阈值的自适应控制策略；3）通过参数优化确定100μH电感和20kHz开关频率的最佳组合。

拓扑结构与均衡原理
系统采用分级设计：模块内均衡使用2个电感和4个MOSFET，通过B₁₁
放电时S₁₁
导通储能、S₁₁
关断后电感通过S₁₂
体二极管自动释放能量的两阶段控制；模块间均衡仅需1个电感和2个MOSFET，实现能量直接从高能模块B₁
转移至低能模块B₃
。实验显示该设计较传统方案减少30%开关器件，且控制信号容错性更强。

参数设计与控制策略
通过MATLAB/Simulink仿真确定关键参数：电感充电阶段占空比需满足D₁
< (V₁₂
+V₁₃
+V_D
)/(ΣV+V_D
)的约束条件。控制策略采用"模块内优先"原则，当单体电压差>40mV启动模块内均衡，模块间电压差>60mV时触发跨模块能量转移，有效避免无效均衡。

性能对比分析
与主流方法对比显示：相比电感-电容混合方案，均衡速度提升71.69%（612秒 vs 2162秒）；拓扑成本降低12.59%-48.60%，关键器件仅需18个MOSFET和7个电感。动态放电实验中，模块内均衡使电压差从283mV降至39mV，模块间均衡从788mV降至59mV，验证了其在负载波动下的鲁棒性。

该研究通过创新的拓扑设计和控制策略，解决了大规模电池组均衡面临的精度、速度与成本难以协同优化的行业难题。其模块化架构可扩展至任意3n节电池组，为储能电站、电动汽车等场景提供了高性价比解决方案。特别是开关阵列中二极管的应用，在保证性能的同时显著提升系统可靠性，这对推动高比例可再生能源并网具有重要工程价值。未来可进一步探索温度、健康状态(SOH)等多参数协同均衡，以全面提升电池管理系统智能化水平。