邱健蓄电池基于变流器的可重构电池系统通用荷电状态均衡方法
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邱健蓄电池 发布时间：2026-03-30 16:42:58 点击： 次
传统基于硬连线连接的电池系统在系统灵活性、容错能力和电池均衡方面存在局限性。为缓解这些问题，本文提出一种四开关可重构电池系统结构（RBSS），赋予系统重构能力。该系统可实现任意串联、并联或混联的灵活配置，同时支持故障电池隔离。通过将变换器集成至该拓扑结构，形成基于变换器的RBSS，最终实现模块化设计。在所提出的基于变换器的RBSS中，无需额外均衡器即可实现电池均衡。此外，通过变换器可根据电池状态控制每个电池的充放电管理，从而避免传统RBSS为维持均衡所需频繁操作重构开关。本文推导了变换器损耗与输出纹波之间的交易关系，并基于Pareto优化探讨了变换器的最佳设计方案。通过原型实验验证了该系统的有效性。
引言
锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优势，因而在电动汽车、多性向智能便携设备等领域获得广泛应用[1]。通常，单体锂离子电池的电压和容量有限。为满足不同读档需求，电池系统常采用多电芯串并联结构，从而实现更高电压与容量[[2], [3], [4]]。
传统电池系统通常采用基于硬连线连接的固定配置。这种配置在系统灵活性、容错性和电池均衡问题方面存在局限。固定配置专为特定应用设计，缺乏灵活性。若需求发生变化，可能需要对系统进行重组。固定配置还会影响系统容错性——当单个电池发生故障时，可能导致整个系统停机。此外，此类情况下隔离故障电池也面临挑战[5]。最后，荷电状态（SOC）不均衡是电池系统的关键问题。由于制造差异与老化效应，电池间会产生不一致性，最终可能导致过充或过放，影响整体电池系统性能。在传统电池系统中，通常需要额外配置均衡器以缓解SOC不均衡问题[6,7]。
为应对传统电池系统的固有挑战，可重构电池储能系统（RBSS）近年来已成为一种极具前景的替代方案并受到广泛关注[8,9]。该系统通过电力电子开关实现电池单体或模块的动态重构，从而灵活调控系统拓扑结构。这种设计允许根据电池行为特征、用户需求以及可控硬件组件状态来改变电池互连模式。
参考文献[10,11]中的先前研究提出了适用于串联电池组的可重构结构，每种结构仅使用每电池两个开关。然而，文献[11]中的结构缺乏隔离故障电池的能力。为满足更多样化配置需求，必须采用额外开关以实现更复杂拓扑。基于文献[10]的研究，文献[12]的工作将研究单元从单体电池扩展至多电池并联组成的模组，再通过串联连接实现任意单体或模组的旁路功能。为实现电池间任意串并联配置，文献[13,14]中的结构平均每电池需使用六个开关，提供了高度自由度。后续研究将开关数量逐步降低至五个[15,16]和四个[17,18]。基于现有研究，可重构电池储能系统(RBSS)每个电池至少需要配置三个开关才能实现电池间不受限制的串并联拓扑结构[[19], [20], [21]]。图1(a)和(b)展示了两种通用的三开关RBSS结构。尽管具有结构简单的优势，这些结构仍存在一些局限性。例如，图1(a)所示结构无法配置为并-串联连接模式；而图1(b)所示结构在并联配置下无法隔离故障电池。
RBSS中的柔性开关配置可实现对单体电池的精确控制，便于主动管理充放电过程。该设计无需额外平衡电路即可有效解决电池不均衡问题。通常情况下，RBSS控制策略根据电池荷电状态（SOC）值通过开关调度电池运行。例如，文献[17]提出了一种模块间分裂-重组方法，该方法将并联电池模块拆分为多个串联模块，从而加速原始模块的整体放电速率。参考文献[19]中的研究采用开关控制高SOC电池对低SOC电池进行充电。文献[22]则通过电池排序与串联重构来缓解不均衡问题。此外，基于人工智能的方法也被应用于系统结构重构以实现均衡[23]。然而这些方法均涉及频繁的拓扑重构开关操作，导致系统结构持续变化，由此产生与系统设计要求相冲突的问题。例如文献[17]所提出的控制策略将并联模块划分为两个串联部分，导致电池串端电压升高，且由并联重构为串联的电池需承载数倍于正常并联模块的电流。此外，每个重构开关的频繁操作对控制器设计提出了更高要求。
在RBSS设计中采用变流器是一种替代方案。基于变流器的RBSS既保留了传统RBSS的灵活性和容错能力，又无需操纵重构开关即可实现单体电池控制。现有研究已通过将变流器与电池集成的方式，将其应用于电池管理系统[[24], [25], [26], [27]]。然而这些系统通常采用硬连线结构，且控制算法仅适用于特定架构。文献[28]的研究尝试通过引入旁路开关隔离故障单元来解决该局限，但该方法仅限于串联构型。因此，设计更具灵活性的基于变流器的RBSS及其配套的电池均衡控制方法，仍是亟待解决的重要挑战。 %%
本文通过跨链桥接上述研究空白，提出了一种基于柔性变流器的RBSS及相应平衡方法。主要贡献可归纳如下。
- 1.
提出一种基于变流器的可重构电池储能系统（RBSS），其每个电池配备四个重构开关，可配置为无限制的串联/并联结构，展现出卓越的拓扑重构灵活性与容错能力。
- 2.
设计了一种通用均衡控制器，可适配多种系统重构配置，避免操作重构开关，克服了现有均衡方法仅适用于单一场景的局限性。
