锂离子电池均衡拓扑综述

一、引言

锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命等优点，在电动汽车、储能系统等领域得到了广泛应用。然而，电池组在使用过程中，由于电池个体差异、充放电管理等因素，会出现荷电状态（SOC）不一致的问题，这会严重影响电池组的性能和寿命。因此，研究有效的电池均衡拓扑结构对于提高电池组的整体性能至关重要。

二、电池均衡拓扑分类

电池均衡拓扑结构主要可分为被动式均衡和主动式均衡两大类。

（一）被动式电池均衡

被动式电池均衡是一种能耗型均衡方式，通过电阻等无源元件消耗高压电池的多余能量。这种方式简单易行，但存在能量损失和发热问题。

1. 固定分流电阻

在串联电池组中，每个电池并联一个固定电阻，多余能量通过电阻以热能形式耗散。这种方法的优点是结构简单，易于实现，但缺点是能量损失大，且均衡电流受电阻值限制。

2. 开关分流电阻

通过开关控制并联电阻的接入，仅对高压电池激活电阻耗散能量。这种方法可以减少不必要的能量损耗，但仍存在热能损耗问题。

（二）主动式电池均衡

主动式电池均衡是一种非能耗型均衡方式，通过储能元件（如电容、电感、变压器等）进行能量转移，从而减小电池组的不一致性。

1. 基于电容的均衡拓扑

电容均衡拓扑利用电容作为能量转移的媒介。其优点是响应速度快，适合快速均衡需求。但电容的能量存储有限，不适合大容量电池组。

2. 基于电感的均衡拓扑

电感均衡拓扑利用电感作为能量转移的媒介。其优点是能量转移效率高，适合大容量电池组。但电感均衡拓扑的控制较为复杂，成本较高。

3. 基于变压器的均衡拓扑

变压器均衡拓扑利用变压器实现能量的隔离和转移。其优点是能量传输效率高，适合大规模储能系统。但变压器均衡拓扑的体积较大，成本较高。

4. 基于变换器的均衡拓扑

变换器均衡拓扑利用DC-DC变换器实现能量的双向传输。其优点是灵活性高，可以实现多种均衡策略。但变换器均衡拓扑的控制复杂度高，对电路设计要求较高。

三、研究现状

（一）被动式均衡的研究现状

被动式均衡因其结构简单、易于控制和实现，在电动汽车等小规模储能应用中得到了广泛应用。然而，随着电池组容量的增加和对能量效率要求的提高，被动式均衡的局限性逐渐显现。

（二）主动式均衡的研究现状

主动式均衡技术近年来得到了广泛关注。研究人员通过改进电路拓扑结构和控制算法，不断提高主动式均衡的效率和性能。例如，Cao等提出了一种多绕组输入和输出双向均衡拓扑，可以实现任意单体对单体的均衡，具有路径灵活的优点。Qi等提出了一种集成级联结构的隔离双向DC-DC变换器，用于集中式电荷均衡系统，并详细分析了变换器的理论推导和软开关实现的条件。