电动汽车电池管理系统中被动与主动电池均衡拓扑的比较仿真与性能分析

《Batteries》：Comparative Simulation and Performance Analysis of Passive and Active Cell Balancing Topologies in Battery Management Systems for Electric Vehicles

　　

在过去十年中，电动汽车（EVs）的激增凸显了稳健电池管理系统（BMSs）的重要性，以缓解由制造公差、热梯度和不均匀老化引起的电芯失衡。为解决这些局限，本研究提出了一种基于MATLAB R2023b/Simulink的被动与主动电池均衡拓扑比较性能分析，应用于锂离子电池组。使用基于ORION 18650/26电芯的等效电路模型，评估了涵盖被动开关电阻以及主动电感、电容、变压器和变换器拓扑的十二种不同配置。为将固有电荷转移动力学与多电芯网络延迟相隔离，所有拓扑均在标准化相邻两电芯基线及严格收敛阈值（ΔOCV ≤ 1 mV）下进行基准测试。仿真结果表明，并联双电感和buck–boost拓扑实现了最快的均衡速度（约1.47–2.53 s），而开关电容配置产生了最低的总能量耗散（约0.0011 Wh–0.0013 Wh）。此外，为评估电池串级可扩展性和多跳能量传输动力学，高性能buck–boost拓扑被扩展并在四电芯串联（4S）配置中进行了基准测试。仿真结果表明，虽然相邻两电芯基线实现了快速均衡（约1.47–2.53 s），但4S串在12.47–13.94 s内达到多电芯收敛，为多跳路由延迟提供了定量见解。总体而言，这项工作提供了不受混淆的定量基线，以支持BMS工程师根据特定的EV性能、空间和经济约束选择最优均衡拓扑。

随着电动汽车（Electric Vehicles, EVs）的快速普及，锂离子电池组已成为核心储能部件，但串联电芯因制造公差、热梯度和不均匀老化必然产生电压与荷电状态（State of Charge, SoC）失衡，导致充放电提前终止、容量衰减加剧并威胁安全。电池管理系统（Battery Management System, BMS）必须通过均衡策略缓解失衡。现有研究多针对单一或少数拓扑，且初始失衡量、收敛判据和多电芯网络延迟等条件不一致，缺乏系统性的横向定量基线。为此，研究人员在MATLAB R2023b/Simulink环境中，基于ORION 18650/26电芯的等效电路模型，对12种被动与主动均衡拓扑进行了统一条件下的比较仿真与性能分析，旨在为BMS工程师选择最优均衡方案提供无混杂的定量依据，并发表于《Batteries》。

在关键技术方面，研究人员采用零阶内阻（Rint）等效电路模型，利用实验电流脉冲测试（Current Pulse Test, CPT）数据拟合SoC–开路电压（Open-Circuit Voltage, OCV）高阶多项式，并验证了模型精度（OCV均方根误差3.60 mV，SoC平均绝对百分比误差0.657%）。所有拓扑均在标准化相邻两电芯基线（ΔSoC=0.4%）下，采用统一500 Hz开关频率和固定占空比（变压器类45%，其余50%），以OCV差（ΔOCV≤1 mV）为收敛判据，记录均衡时间和能量耗散。能量变化按Li和Tseng提出的平均OCV法计算。高表现的buck–boost拓扑进一步扩展为四电芯串联（4S）网络，以评估多跳延迟。

4.1 开关分流电阻均衡仿真：被动拓扑在两个SoC场景（中段46%/45.6%，高段86%/85.6%）下，均衡时间约11.69–12.91 s，能量耗散约0.0415–0.0458 Wh，表明结构简单但能量损失较高。

4.2 电感式均衡仿真：单电感和并联双电感配置分别实现约2.29–2.53 s和1.47–1.62 s的均衡时间，能耗约0.0208–0.0229 Wh，其中并联双电感速度最快。

4.3 电容式均衡仿真：单电容和双梯电容因渐进电荷转移导致均衡时间较长（仿真窗口10,000 s），但稳态电压差极小（ΔOCV≈0.0001–0.002 mV），能耗最低（约0.0011–0.0021 Wh），表现出最优能量效率。

4.4 变压器式均衡仿真：单变压器、多变压器和多绕组变压器拓扑的均衡时间分别为7.59–8.35 s、53.19–69.59 s和45.88–60.04 s，能耗约0.0053–0.0073 Wh，多变压器结构因多跳路径较慢。

4.5 变换器式均衡仿真：buck–boost和准谐振变换器实现约2.29–2.56 s的快速均衡，能耗约0.0208–0.0229 Wh；?uk变换器均衡时间较长（106–118 s），能耗约0.010 Wh；反激变换器约7.59–8.35 s，能耗约0.0053–0.0058 Wh。

4.6 可扩展性分析：4S buck–boost网络在ΔOCV≤4 mV判据下，均衡时间延长至12.47–13.94 s，能耗约0.0118–0.0372 Wh，显示多跳路由显著增加均衡时长。

讨论部分指出，主动均衡普遍速度更快、能耗更低，但需权衡半导体开关热损耗（I²R_DS(on)）、磁芯损耗、元件数量、体积、电磁干扰与成本；被动均衡结构简单、成本低，适合温和失衡和成本敏感应用。研究人员进而提出针对不同场景的选择指南：微移动低成本组选开关电阻；高功率EV模块选buck–boost或并联电感；噪声敏感平面组选开关电容；集中式高压串选多绕组变压器或反激变换器。

研究结论可翻译为：本研究在MATLAB/Simulink中对锂离子电芯的代表性被动和主动均衡方法进行了建模与分析，评估了SoC、OCV、端电压、电流、均衡时间、电路拓扑和能量耗散。结果表明，开关分流电阻、单电感、多绕组变压器、单电容和双梯电容在双电芯配置中元件数最少，降低了系统复杂性。在电压差最小化方面，?uk变换器、多绕组变压器、单电容和双梯电容表现最佳，有助于延长循环寿命和提升安全性。在均衡时间方面，并联双电感、buck–boost、准谐振和单电感方法稳健，尤其前两者实现快速均衡。在能量效率方面，单电容、双梯电容和变压器方法能量损失最小。4S扩展验证了相邻主动拓扑在多跳传输下的行为，表明电池串扩展会按比例增加均衡时间和导通损耗，强调了模块化均衡架构的必要性。综合比较为BMS工程师提供了实用的设计指导，未来研究可结合机器学习辅助故障检测与健康预测。