SSB蓄电池用于大规模锂离子电池组的模块化可扩展架构：基于开关电容的锂电池单体电压均衡方案

2026-04-08 17:43:14

电池电压均衡对于最大化锂离子电池组的容量和性能至关重要。电动汽车及其他能源即服务应用所采用的大规模电池组均衡器，因需满足高串联电压要求而面临复杂控制及可靠性挑战。本研究提出一种基于开关电容的新型模块化均衡架构，该架构具有增强的可靠性，适用于大规模电池组。所提出的架构还能降低有源开关的电压应力，确保运行可靠性。该系统的关键特征在于子模块级控制，其通过禁用已均衡单元中的开关操作来降低能量损耗。独立的子模块运行模式还能减轻MOSFET承受的电压应力，使得采用物理尺寸更小、击穿电压更低的器件成为可能。模块化架构同时简化了高精度电压检测过程。针对由两个20S4P结构、73V模块组成的大规模电池组，本研究通过硬件实现完成了系统建模、仿真与验证工作。

引言

锂离子电池在电池储能系统(BESS)、电动汽车(EV)和能源即服务(EaaS)应用中的使用量显著增长[1][2]。为满足此类系统的容量与电压需求，电池组通常设计为更高电压等级运行，由数十至数百个单体电池通过串联和/或并联方式组成。因此，必须对锂离子电池实施单体电压均衡与全程监控，以在确保安全运行的同时最大化可用容量[3]。在电池储能系统（BESS）运行过程中，即使毫伏级别的电压失衡也会随时间累积形成显著的不均衡现象，若未定期进行均衡处理，将导致电池组可用容量下降。对于无均衡功能的电池组，其可用容量在放电阶段受限于荷电状态（SOC）最低的单体电池，在充电阶段则受限于SOC最高的单体电池——如图1(a)所示，一旦任一单体达到截止限值就必须终止运行。然而，单体电压均衡技术可有效缓解此类不均衡现象，使所有电池单体实现完全充放电，从而释放电池组的最大容量潜力（图1(b)）。
在高压应用中，要实现所需电压就需要串联更多电池单元，这会导致半导体器件成本增加，并使均衡与监测电路的设计更为复杂。此外，在测量电池高层级单元电压时，要在保持合理灵敏度的同时实现精准测量存在多项技术挑战[4]。若无法实现精确测量，则会导致电池各层级间电压水平失衡，从而削弱均衡过程的有效性。电压检测不准确可能导致电池单元过充，进而引发热失控并造成电池永久性损坏[5][6]。
电池电压均衡拓扑主要可分为两类：被动均衡与主动均衡（图2）。在被动均衡拓扑中，固定分流电阻或开关分流电阻与电池单体并联，通过泄放高电压单体的电荷来实现整组电池的电压均衡。然而，从能量效率角度考量，这种通过能量耗散实现的均衡并非理想解决方案（图3）。因此，研究采用了多种主动均衡拓扑结构，通过将电荷从高电压单体转移至低电压单体实现均衡。如图2所示，这些主动均衡拓扑可进一步划分为四大类：开关电容型、开关电感型、级联DC-DC变换器型以及基于隔离式多绕组/单绕组变压器的变换器型[7]。
主动均衡技术采用串行电荷转移或并行电荷转移机制。在串行电荷转移机制中，各电池单元仅能向相邻单元传输电荷，如图4(a)所示。而并行电荷转移机制则允许各单元根据电压不均衡程度直接向任意其他单元传输电荷（图4(b)）。由于存在多条并行电荷传输路径，其均衡耗时显著短于串行转移机制。
基于开关电容（SC）的均衡拓扑因其较无源均衡方法更低的功耗，以及相较于开关电感、变压器或DC-DC变换器拓扑更简化的控制与硬件需求[8][9][10][11]，在业界获得广泛应用。
文献中已提出多种基于开关电容(SC)的均衡拓扑结构。Alvarez-Diazcomas等[12]提出了一种仅采用串联SC结构的高效电压均衡器，该方案通过为每个电容增加开关以使其与电路其余部分断开，从而限制过均衡现象。然而，对于大规模电池组而言，为每个电容增设开关，同时需要额外控制电路和串联电荷转移机制，并非经济高效的解决方案。文献[13]提出的串并联SC电压均衡器通过并行电荷转移机制实现了更快的均衡时间。然而，若将其扩展至大规模电池组，MOSFET承受的最大电压应力也会成比例增加。文献[14]提出了一种链式结构SC均衡器，旨在提升纯串联SC均衡器的单体均衡速度。但该链式结构均衡器在应用于大规模电池组时，高层MOSFET同样存在类似的高电压应力问题。现有研究提出了Delta型[15]和星型[16]SC均衡器以提高均衡速度。然而在这些拓扑结构中，电容器承受的电压应力存在差异，导致电容器漏电流不一致，可能影响大容量串联电池组的整体均衡性能[17]。
锂离子电池组通常具有应用专一性，这限制了其在不同应用场景中的通用性。然而，随着锂离子电池在EaaS（设备即服务）应用中日益广泛的集成与使用，一种新范式正在形成——需要采用易于扩展的模块化电池组。此外，模块化结构本身就能显著降低操作电池组时的触电风险。这种转型开辟了新的可能性，要求电池管理系统（BMS）具备高效性、模块化、可复制性和成本效益，以适应可扩展性、灵活性、电气安全性和财务可行性等方面的需求[18][19]。
本文提出了一种基于子模块化电平控制的新型模块化SC均衡方案，适用于大规模锂离子电池组。该模块化结构先天具备降低半导体器件电压应力、减小尺寸及降低成本等优势。得益于电池串电压映射至典型微控制器模数转换器(ADC)的电压相对较低，所提出的架构能够实现高分辨率、简化的单体电压检测功能。由于所提架构中电压应力降低，可采用更低击穿电压的开关器件。传统低击穿电压开关通常具有更低的导通电阻[20]，从而降低均衡器的能量传输损耗。所开发的均衡器对锂离子电池化学体系（NMC、LFP等）具有普适性，无需任何修改或重新校准即可灵活适配多种化学体系。