面向4芯锂离子（Li-Ion）电池组的自适应占空比混合开关电容（Switched-Capacitor, SC）电芯均衡方法及脉冲频率调制（Pulse-Frequency Modulation, PFM）控制研究

《Journal of Low Power Electronics and Applications》：Adaptive Hybrid Switched-Capacitor Cell Balancing for 4-Cell Li-Ion Battery Pack with a Study of Pulse-Frequency Modulation Control

　　

串联锂离子电池组中的电芯均衡对于最大化可用容量、确保安全运行及延长循环寿命至关重要。研究人员提出了一套完整研究与一种新型自适应占空比混合均衡（hybrid balancing）系统，该系统将被动泄放电阻与有源开关电容（SC）均衡器结合，专为4芯串联电池组设计。该工作还探索了基于开路电压（OCV）驱动的自适应脉冲频率调制（PFM）有源均衡，以在不同系统需求下实现更高效率与更优均衡速度。最后，论文详细比较了被动、有源（基于SC）及自适应占空比混合均衡策略，包括各方法的能量转移理论与效率建模。仿真表明，相较于纯有源均衡，自适应混合均衡器使荷电状态（State-of-Charge, SoC）均衡速度提升16.24%，同时保持97.71%效率且热应力极小；自适应有源均衡可达99.86%高效率，并为不同应用提供额外设计自由度。结果表明，自适应混合均衡器在均衡速度、效率与实现简易性之间为4芯锂离子（Li-Ion）电池组提供了优异折衷，非常适用于高压便携充电器等场景。

研究背景方面，串联锂离子（Li-Ion）电池组因电芯不匹配易导致容量退化，即便微小的荷电状态（SoC）或电压失衡也会由最弱电芯限制整包可用容量并加速老化。现有被动均衡以电阻耗散高电量电芯多余能量为热，简单低成本但能效低且有热隐患；有源均衡借电容或电感转换器重分配能量，其中开关电容（Switched-Capacitor, SC）均衡因无笨重磁件、易集成受关注，但传统SC在长串中收敛慢、远距电芯需逐跳传递。针对4芯便携充电器（约4×3.7 V锂离子电芯）需紧凑低成本又有效均衡的需求，商用方案常弃用有源或仅末端被动泄放，造成能量浪费与潜在热失控。因此研究人员开展本研究，提出融合SC有源与被动泄放的混合架构及自适应脉冲频率调制（PFM）控制，以解决速度-效率-体积矛盾。

关键技术方法上，研究人员采用STMicroelectronics 180 nm BCD工艺在Cadence Virtuoso完成混合均衡器版图与后仿真；电芯模型取3.4 Ah（松下MH12210等效3308 F电容）、初始开路电压（OCV）见原文表2；混合系统以3个飞电容（C_fly）在相邻电芯间穿梭电荷，每电芯配47 Ω泄放电阻（R_bleed）由数字逻辑控；片上控制器含OCV采样比较器、均值与已平衡数逻辑、占空比调度（100 ms周期设SC有源占比α）；自适应PFM独立方案移除电阻，仅按最大芯间压差ΔV_max经线性律f_sw=k·ΔV_max+f_min（k=3.5 V^-1，f_min≈956.24 Hz，上限3048 Hz）调频；测试台含ESD二极管与去耦电容，两路10 Hz混合时钟（80%/90%占空比）驱动。

研究结果部分，第2节背景与相关工作中，研究人员综述被动/有源优劣，指出SC无电感但长串慢，引Kim等链状SC、Baughman双层SC作提速先例；述先验混合均衡（如充电有源+满充被动）非自适应易过热；引Hua等半桥均衡用PWM+PFM启示，确立本研究以SC+被动+自适应PFM缩硬件轮廓的动机。第3节提出的占空比混合均衡系统中，电路拓扑用三飞电容与47 Ω泄放支路，数字控制器每100 ms算平均电压V_avg与已平衡芯数n_bal，按α调度SC有源时间，被动段瞬时耗散P_inst=V_cell²/R_bleed、周期均耗P_avg=α·P_inst，47 Ω下均耗38–75 mW对应温升1.3–2.6 ℃；自适应PFM子节给频率缩放律f_sw随ΔV_max线性变（956.24–3048 Hz），大压差高频获大转移电流、近平衡低频减开关损；版图实现1730 μm×1452 μm，开关导通阻2 Ω，寄生提取后混合重分配效≥97.71%。第4节后仿真中，初始OCV见表2，电压收敛图显示两阶段：前期SC陡降压差、末期10–20%周期被动修小残差；时间表3得被动效低、有源99.89%、混合97.71%用7.48 h、自适应PFM 99.86%用8.06 h；混合较纯有源提速16.24%。第5节讨论与比较中，研究人员指效率按（重分配失衡能/总失衡能）计，本混合与PFM效97.71–99.86%媲美文献有源（97–99%）且硬件更简无电感；强调均衡时间非不变度量，依赖容量C、ESR、ΔV₀、终止阈等，故仅同测试集内比才公平，表3自比可信。第6节结论翻译：本工作给4芯锂离子组两种片上策略——OCV驱动占空比混合均衡7.48 h@97.71%效、极简外件；独立自适应PFM SC均衡8.06 h@99.86%效。混合较纯有源快16.24%仅微损效，PFM近极效且速具竞争力；二者均胜纯被动与定频有源之速度-效率折衷，证可用于紧凑BMS IC。未来可探动态阈值、多芯版图优、片上预测热管理。

该文发表于《Journal of Low Power Electronics and Applications》，意义在于为便携4芯锂电场景提供可芯片化、无电感、速度/效率/热可控的均衡范式，混合架构以SC扛大压差转移、被动修尾差，PFM给纯有源另一自由度，填补了“低成本紧凑”与“高效快均”间的工程空隙。