JLG蓄电池适用于混合电池组的可重构多模式均衡拓扑结构
来源：JLG电瓶 2026-03-11 20:15:40 点击：
混合电池包（HBP）通过串联或并联两种及以上不同类型的电池单体构成整体储能单元，可充分利用异质电池的差异化优势并规避其固有缺陷。然而不同电池固有的电气特性差异会导致充放电不一致性问题，严重制约电池组的可用容量与循环寿命。传统均衡策略难以调和异质电池电化学特性差异与快速均衡需求之间的矛盾。本文提出了一种新型多模式均衡拓扑结构，该结构结合了可重构电池系统与升降压电路，以实现混合电池组（HBP）的故障隔离、动态重构及主动均衡。此外，通过动态切换逻辑与电感参数自适应设计，提出一种三阶段均衡策略，用于消除同构电池、异构电池及电池模块间的参数不一致性。最终，模拟结果表明所提出的均衡拓扑与策略能够在NMC-LFP混合电池组中实现快速均衡。
如今，电动汽车（EVs）因其价格低廉和零排放特性[1][2]取得了显著发展，但续航里程与电池组寿命问题仍是EV企业和消费者考量的重要指标[3]。为解决这一问题，EV企业持续寻求具有更高能量密度的材料。预计到2025年，约45%的EV将采用LiCoxNiyMn1−x−yO2（NMC）电池，而约55%将使用LiFePO4（LFP）电池。一般而言，NMC具有高能量密度和优异的低温性能，但存在使用寿命短、成本高及安全性差的缺陷；而LFP则具备低成本、长寿命和高安全性的优势。如何将LFP与NMC的优势整合于同一电池组，已成为学术界与工业界共同关注的研究热点。
由具有不同化学特性的电池组成的混合电池组（HBP），是一种通过优势互补来提升电池组整体性能的有效解决方案。值得注意的是，混合电池组面临着充放电不一致与老化速率不同步的问题，这严重阻碍了其技术发展与实际应用。在工业界，部分电动汽车企业已申请了与混合电池组相关的专利，主要聚焦于以下研究方向：磷酸铁锂（LFP）与镍锰钴（NMC）电池的荷电状态（SOC）估计、串并联排列方法以及空间配置方案。
在学术领域，诸多学者已针对混合动力电池系统（HBP）的能量管理开展了广泛研究。例如，Zhou等[4]开发了一种由NMC与Li−Ti−O电池构成的HBP，该系统通过双模糊逻辑控制器实现混合动力系统中的功率流分配，最终达成基于模型预测与规则控制的优化目标。Ma等[5]提出了一种通过热管理优化布局实现高能量密度与高安全性的创新型HBP设计方案。Wang[6]研究了NMC与LFP相结合的HBP，探究了不同容量配置及初始SOC阈值对HBP输出性能的影响。Cheng等[7]提出了一种基于开路电压斜率区间划分与融合校正初始值的LFP电池SOC估算方法，通过自适应估计算法解决了HBP中LFP单体电池SOC估算误差较大的问题。
总体而言，这些研究成功证明了HBPs的优势互补潜力可在特定方面实现，例如实现精确的荷电状态（SOC）估算、提升热安全性以及合理配置容量。然而，异质电池组合这一行为本身就会在电压、容量和老化速率方面引发根本性且严重的固有不一致问题。这种本质差异构成了重大挑战，需要更先进高效的能量管理方法（特别是在主动均衡领域）来实现混合系统的完全稳定与性能发挥。
需要指出的是，当前关于混合电池组（HBPs）的研究大多集中于电池模块层面的混合，这类研究主要提供控制两类电池模块的优化算法或策略[8]。针对HBPs专门优化的均衡拓扑结构仍是一个研究不足的领域。
均衡拓扑主要分为两类：被动均衡与主动均衡。被动均衡采用电阻等元件直接释放多余能量[9]，具有成本低、易于实现的优点。但能量多以热能形式耗散，导致该方法效率极低。另一方面，主动均衡通过电感、电容及变压器等储能元件实现高能量电池向低能量电池的能量转移[10]。现有主动均衡拓扑结构在文献[11]中已有系统总结，可分为相邻电池间均衡(AC2C)、直接电池间均衡(DC2C)、多电池组间均衡(MC2MC)、单电池与整包互均衡(C2P/P2C)。
AC2C支持相邻电池单元的均衡。Phung等人[12]提出了一种针对串联锂离子电池组的优化"次级邻域平衡"拓扑结构，该结构显著减少了尺寸。Peng等人[13]提出了一种基于双极性连续导通模式(Bipolar CCM)的分层电池均衡器，通过优化的双向Buck-Boost单元实现零电压开关(ZVS)。Ouyang等人[14]提出了一种基于分层优化方法的锂离子电池组均衡控制策略，实现了模块级与单体级均衡器之间的实时协调控制。Liu等人[15]提出了一种面向大规模电池系统的三层模块化结构。AC2C结构简单且易于实现，但其均衡时间随电池数量增加而延长，并对电池一致性要求较高。
DC2C可在任意两节电池间实现能量转移。Chen等人[16]提出了一种基于多绕组变压器的主动电池间均衡方法，该方法减少了驱动电路数量。Ju等人[17]设计了一种模块化全局均衡系统，在显著减少均衡器数量的同时保持较低能耗。Raeber等人[18]提出基于单个非隔离DC-DC（DC/DC）变换器与低速开关矩阵的新型主动均衡方案，通过优化能量传输路径可缩短均衡时间。与AC2C相比，DC2C能直接解决电池组电压不一致问题。
MC2MC是一种多电池对多电池均衡技术，具有较高的控制复杂度但均衡时间较短。Wang等人[19]提出了一种基于Buck-Boost变换器的新型多模式主动均衡电路，该电路可通过低频双向开关控制电感状态，实现多种均衡模式与灵活均衡路径。Manjunath等人[20]则提出了一种基于改进型Boost变换器的两级模块化电池均衡电路，可同时针对两个电池进行均衡。相比之下，C2P和P2C电路结构简单且仅需单个均衡器，但存在均衡时间长、应用场景受限等缺点[21]。
由于不同电池化学体系在电气特性、自放电速率和老化机制方面存在固有差异，传统主动均衡方法难以解决混合电池组（HBPs）的不一致性问题。近期研究[22][23][24][25][26]提出采用可重构电池组（RB），通过动态拓扑重构来解决不一致性，实现对异构系统中单体电池状态的精确控制。然而，这类方法需要借助电池旁路和冗余电池单元来补偿电压缺口，这将显著增加系统复杂度和成本[27]。
综上所述，目前针对混合电池组均衡问题的研究较少。为跨链桥上述问题，本文提出了一种结合RB电池组与降压-升压均衡电路的改进拓扑结构，其主要目的是实现混合电池组在容量方面的稳定性、灵活性与一致性。论文的主要贡献如下。
引言
由具有不同化学特性的电池组成的混合电池组（HBP），是一种通过优势互补来提升电池组整体性能的有效解决方案。值得注意的是，混合电池组面临着充放电不一致与老化速率不同步的问题，这严重阻碍了其技术发展与实际应用。在工业界，部分电动汽车企业已申请了与混合电池组相关的专利，主要聚焦于以下研究方向：磷酸铁锂（LFP）与镍锰钴（NMC）电池的荷电状态（SOC）估计、串并联排列方法以及空间配置方案。
在学术领域，诸多学者已针对混合动力电池系统（HBP）的能量管理开展了广泛研究。例如，Zhou等[4]开发了一种由NMC与Li−Ti−O电池构成的HBP，该系统通过双模糊逻辑控制器实现混合动力系统中的功率流分配，最终达成基于模型预测与规则控制的优化目标。Ma等[5]提出了一种通过热管理优化布局实现高能量密度与高安全性的创新型HBP设计方案。Wang[6]研究了NMC与LFP相结合的HBP，探究了不同容量配置及初始SOC阈值对HBP输出性能的影响。Cheng等[7]提出了一种基于开路电压斜率区间划分与融合校正初始值的LFP电池SOC估算方法，通过自适应估计算法解决了HBP中LFP单体电池SOC估算误差较大的问题。
总体而言，这些研究成功证明了HBPs的优势互补潜力可在特定方面实现，例如实现精确的荷电状态（SOC）估算、提升热安全性以及合理配置容量。然而，异质电池组合这一行为本身就会在电压、容量和老化速率方面引发根本性且严重的固有不一致问题。这种本质差异构成了重大挑战，需要更先进高效的能量管理方法（特别是在主动均衡领域）来实现混合系统的完全稳定与性能发挥。
需要指出的是，当前关于混合电池组（HBPs）的研究大多集中于电池模块层面的混合，这类研究主要提供控制两类电池模块的优化算法或策略[8]。针对HBPs专门优化的均衡拓扑结构仍是一个研究不足的领域。
均衡拓扑主要分为两类：被动均衡与主动均衡。被动均衡采用电阻等元件直接释放多余能量[9]，具有成本低、易于实现的优点。但能量多以热能形式耗散，导致该方法效率极低。另一方面，主动均衡通过电感、电容及变压器等储能元件实现高能量电池向低能量电池的能量转移[10]。现有主动均衡拓扑结构在文献[11]中已有系统总结，可分为相邻电池间均衡(AC2C)、直接电池间均衡(DC2C)、多电池组间均衡(MC2MC)、单电池与整包互均衡(C2P/P2C)。
AC2C支持相邻电池单元的均衡。Phung等人[12]提出了一种针对串联锂离子电池组的优化"次级邻域平衡"拓扑结构，该结构显著减少了尺寸。Peng等人[13]提出了一种基于双极性连续导通模式(Bipolar CCM)的分层电池均衡器，通过优化的双向Buck-Boost单元实现零电压开关(ZVS)。Ouyang等人[14]提出了一种基于分层优化方法的锂离子电池组均衡控制策略，实现了模块级与单体级均衡器之间的实时协调控制。Liu等人[15]提出了一种面向大规模电池系统的三层模块化结构。AC2C结构简单且易于实现，但其均衡时间随电池数量增加而延长，并对电池一致性要求较高。
DC2C可在任意两节电池间实现能量转移。Chen等人[16]提出了一种基于多绕组变压器的主动电池间均衡方法，该方法减少了驱动电路数量。Ju等人[17]设计了一种模块化全局均衡系统，在显著减少均衡器数量的同时保持较低能耗。Raeber等人[18]提出基于单个非隔离DC-DC（DC/DC）变换器与低速开关矩阵的新型主动均衡方案，通过优化能量传输路径可缩短均衡时间。与AC2C相比，DC2C能直接解决电池组电压不一致问题。
MC2MC是一种多电池对多电池均衡技术，具有较高的控制复杂度但均衡时间较短。Wang等人[19]提出了一种基于Buck-Boost变换器的新型多模式主动均衡电路，该电路可通过低频双向开关控制电感状态，实现多种均衡模式与灵活均衡路径。Manjunath等人[20]则提出了一种基于改进型Boost变换器的两级模块化电池均衡电路，可同时针对两个电池进行均衡。相比之下，C2P和P2C电路结构简单且仅需单个均衡器，但存在均衡时间长、应用场景受限等缺点[21]。
由于不同电池化学体系在电气特性、自放电速率和老化机制方面存在固有差异，传统主动均衡方法难以解决混合电池组（HBPs）的不一致性问题。近期研究[22][23][24][25][26]提出采用可重构电池组（RB），通过动态拓扑重构来解决不一致性，实现对异构系统中单体电池状态的精确控制。然而，这类方法需要借助电池旁路和冗余电池单元来补偿电压缺口，这将显著增加系统复杂度和成本[27]。
综上所述，目前针对混合电池组均衡问题的研究较少。为跨链桥上述问题，本文提出了一种结合RB电池组与降压-升压均衡电路的改进拓扑结构，其主要目的是实现混合电池组在容量方面的稳定性、灵活性与一致性。论文的主要贡献如下。
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本文首次探讨了混合电池组的均衡问题，设计了一种融合RB系统与降压-升压电路的改进型均衡架构，该架构集成了三种工作模式：故障隔离、电池动态重构以及主动均衡。 - •
提出一种三阶段均衡策略以消除同构电池组、异构电池组与电池模块间的性能差异。与传统均衡策略相比，该方法同步解决了异构电池的电化学失配问题并实现单体电池快速均衡。 - •
针对所提出的拓扑结构开发了模拟模型，通过系列实验验证均衡拓扑的性能表现。实验涵盖不同初始SOC差异下的主动均衡及RB系统工况，结果证实该均衡拓扑具有显著效能。