一种用于同质和异质电池组的在线主动均衡技术

《Energies》：An Online Active Balancing Technique for Homogeneous and Heterogeneous Battery Packs

　　

随着电池组在各种应用中的大规模部署，一些生命周期挑战逐渐显现。这些挑战包括：在电池组内单体间失衡日益加剧的情况下延长其作为电池组的运行寿命，以及将其单体重新用于新的电池组以赋予其二次生命（例如，在电网储能中）。本文提出了一种新的电路拓扑，通过使用主动（受控且非耗散）的电池间均衡（cell-to-cell balancing）技术来解决这两个问题，该技术在在线操作（即电池能量存储系统（BESS）在使用中）时进行。所提出的电路设计快速且安全，依赖于电流控制来针对每个单体电池的最大充电和放电电流，同时考虑电池组电流。与现有技术相比，该设计具有最少的开关和电路元件数量，并且具有灵活性，允许串联添加或更换单体电池。其实用的分层控制系统能够在单个单体电池上实现实时操作的速度、可靠性和可重构限制。研究人员对同质和异质电池组进行了在线操作下的实验验证，结果证明了所提出技术的速度和有效性。

**论文解读：一种用于同质和异质电池组的在线主动均衡技术**

**研究背景与问题**
电池能量存储系统（BESS）广泛应用于消费电子、电动汽车和电网储能等领域。电池组通常由多个单体电池串并联构成，然而，由于制造差异、温度不均等因素，串联电池组在多次充放电后会出现电压失衡。这种失衡会导致电池组容量利用率下降，加速老化，并可能引发安全问题。传统的被动均衡（耗散型）方法虽可靠但效率低、速度慢，而现有主动均衡（非耗散型）方法虽更快，但存在电路复杂、元件数量多、成本高、难以扩展等问题。此外，许多方案仅适用于同质电池组（相同化学体系和容量），无法灵活处理异质电池组（不同年龄或化学体系）。为克服这些局限，研究人员提出了一种新型在线主动均衡技术，旨在实现快速、安全、灵活且低成本的均衡方案。该论文发表在《Energies》期刊上。

**关键技术方法**
研究人员采用了一种基于同步buck-boost转换器的电路拓扑，通过一个高压侧电容和一个电感实现电池间（cell-to-cell）的能量转移。电路使用最少数量的开关（每个电池组串联一个双向开关，外加H桥和转换器开关）和储能元件，无需定制多绕组变压器。控制算法基于抗饱和比例积分（PI）电流控制器，通过状态机实现：状态1测量所有电池端电压，识别最高和最低电压电池；状态2以升压模式将最高电压电池的能量转移到电容；状态3以降压模式将电容能量转移到最低电压电池。算法考虑了电池组电流和每个电池的最大充放电电流，确保在线安全操作。实验平台使用5S1P（5个串联，每个电池为单体）锂离子电池组，包括LG INR18650 MJ1（NMC）和Panasonic NCR18650B（NCR）两种电池类型。

**研究结果**
**Case 1: 离线同质电池组**
通过离线实验，同质电池组在约32分钟内完成均衡，所有电池端电压收敛至0.05 V以内。转换器实现了75%的往返效率，高压侧电容电压始终保持在预设限值内。

**Case 2: 在线同质电池组**
在在线操作（模拟电动汽车充放电循环）下，同质电池组在约27分钟内完成均衡。转换器电流精确跟踪参考电流，该参考电流根据电池组电流和电池最大充放电电流动态调整，实现了安全快速的均衡。

**Case 3: 在线异质电池组（不同容量）**
通过人为设置部分电池容量加倍（异质情况），电池组在约58分钟内完成均衡。算法成功处理了容量差异，参考电流根据电池组电流和电池限值自适应调整。

**Case 4: 在线异质电池组（不同化学体系）**
使用不同化学体系（NMC和NCR）的电池组在约53分钟内完成均衡。仅需更新微控制器代码以匹配各电池的最大电流限值，即可实现均衡，证明了方案的灵活性和通用性。

**总结与结论**
**讨论部分总结**：实验结果表明，所提方法的均衡速度仅受限于各电池的安全充放电电流。添加不同容量或化学体系的电池仅需增加一个串联开关并更新微控制器固件。抗饱和PI控制器在考虑电池组电流的情况下精确跟踪参考电流，是实现在线安全均衡的关键。电路设计灵活，可扩展至更大电池组，但存在两个局限：一是对于具有平坦电压-荷电状态（SoC）曲线的电池（如LFP、LTO），在中段SoC范围内均衡效果受限；二是需要用户从数据手册中手动设置各电池的电流限值，未来可结合电池特性表征和温度传感自动调整。

**研究结论翻译**：
本研究开发了一种新型主动BESS均衡电路与控制方案。所提方法旨在实现速度、安全性和模块化，适用于广泛的实际在线应用场景。例如，消费电子和电动汽车可受益于同质电池组运行范围的扩展，而大型和微电网级电力系统可利用重新利用的电池构建可重构异质电池组。在电路方面，通过双向DC-DC转换器实现电池间能量再分配，能量暂时存储在电容器中。与电池组间方案相比，转换器的输入和输出电压水平相近，提高了效率并避免了定制多绕组变压器的需求。这也使得设计具有灵活性，额外电池组可通过添加一个开关并更新微控制器程序串联接入。算法采用状态机，在识别最高和最低电压电池、放电最高电压电池、充电最低电压电池之间切换，并为每个状态设置了停止准则。与现有类似均衡技术相比，所提方法具有最少的开关和元件数量。例如，一个13S电池组仅需20个开关、1个电感和1个电容，而最接近的对比方法需要24个开关和11个电感。这使得该技术更具成本效益、更紧凑，且更易于扩展至更大电池组。这也是对商业方法的重大改进，后者包括缓慢且低效的耗散电路，以及需要大量元件且在大电池组中电荷转移缓慢的专有相邻电池间均衡技术。实验平台在四种情况下验证了方法有效性：一个离线情况和三个在线均衡情况（即不断开电池组与负载或电源的连接）。使用5S电池组作为最小代表性电池组，在约十分钟到几十分钟的时间尺度内获得结果。离线情况下转换器往返效率为75%。在线情况包括同质电池组、不同容量的异质电池组以及不同化学体系的异质电池组。在所有四种情况下，电路和控制方案均成功地在安全范围内尽可能快地均衡了电池组；例如，转换器精确跟踪考虑了电池限值和电池组电流的参考电流。所有在线情况下的均衡时间在27到58分钟之间，包括异质电池组。状态机在所有电池组上有效工作，在测量、放电和充电状态之间切换。这些结果展示了所提方法所有关键贡献的实现。未来工作可将此快速在线均衡方法应用于超级电容器组，特别是超级电容器端电压与SoC具有高可变性，且内阻较低，充放电电流更高，使其成为该方法的良好候选。此外，该方法的一个关键局限是用户需要从数据手册中识别各电池的电流限值；因此，未来可纳入BESS特性表征和温度传感，以自动设置单个电池的电流限值（例如，根据健康状态和运行温度降额）。同时，通过特性表征，可使用SoC代替端电压来确定性能改进，特别是对于具有平坦电压-SoC曲线的电池化学体系（如LFP和LTO）。