摘 要：儲能電池組中單體電壓不一致性問題嚴重影響儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，為此提出一種基于三繞組變壓器的任意單體-單體類型主動均衡拓撲，該拓撲可實現(xiàn)均衡能量在電壓最高電池單體與電壓最低電池單體之間直接傳輸，具有均衡速度快、效率高、成本低等優(yōu)點。搭建仿真模型與小型實驗電路，仿真與實驗結(jié)果表明了新型拓撲在均衡速度和效率方面的優(yōu)勢以及在實際應(yīng)用中的可行性。

關(guān)鍵詞：電池組；儲能系統(tǒng)；三繞組變壓器；主動均衡；任意單體-單體

中圖分類號：TM911 " " " "文獻標志碼：A

0 引 言

儲能技術(shù)是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要支撐。鋰電池由于能量密度大、無記憶性、循環(huán)壽命長等優(yōu)點而被廣泛使用于電池儲能系統(tǒng)中［1］。在生產(chǎn)過程中，鋰電池不可避免地會存在不同單體之間容量、內(nèi)阻等方面的微小差異，即單體的“不一致性”［2-3］，在循環(huán)使用中差異會逐漸增大，易導致電池組在充、放電時造成單體“過充”或“過放”，影響儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。因此，急需解決系統(tǒng)中儲能單體之間的不一致性問題，均衡技術(shù)是解決不一致性的有效方法之一。目前均衡技術(shù)主要針對主動均衡展開相關(guān)研究。主動均衡拓撲根據(jù)均衡類型可大致分為單體-整體［4-5］和整體-單體［6-7］、相鄰單體-單體［8-9］和任意單體-單體［10-13］4種。在儲能元件中，變壓器具有電氣隔離的特點，可使電池的充電回路與放電回路相互隔離，因此主要針對變壓器式均衡拓撲展開研究。

文獻［4，6］分別提出單體-整體類型和整體-單體類型的均衡拓撲，主要通過電池組與電池單體間進行能量傳輸來實現(xiàn)電池組的均衡，這兩種類型只能單方面實現(xiàn)電壓最高或最低電池單體的有效均衡，無法實現(xiàn)最高電壓與最低電壓的同時均衡，導致其均衡速度較慢。為克服文獻［4，6］只能單方面均衡的缺點，文獻［8］提出相鄰單體-單體類型的均衡拓撲，通過相鄰電池間進行能量傳輸來實現(xiàn)最高電壓與最低電壓的同時均衡，在最高電壓電池與最低電壓電池相鄰時具有較快的均衡速度，否則，均衡速度將變緩。文獻［11］提出任意單體-單體類型的均衡拓撲，可實現(xiàn)電池組中任意位置的最高電壓電池與最低電壓電池之間進行能量的直接傳輸，克服了文獻［8］研究的缺點，但該拓撲基于多繞組變壓器，拓撲中每節(jié)電池都連接一個繞組，造成拓撲體積過大。文獻［13］提出任意單體-單體類型的均衡拓撲，拓撲中的儲能元件僅為一個三繞組變壓器，體積較小，但拓撲中含有較多的金屬氧化物半導體型場效應(yīng)管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET，簡稱MOS管），造成成本方面的困擾。

基于上述分析，本文提出一種基于三繞組變壓器的任意單體-單體類型的新型拓撲電路，可實現(xiàn)電池組中最高電壓與最低電壓同時均衡。該拓撲中的儲能元件僅為一個三繞組變壓器，相對于多繞組變壓器拓撲減小了體積，另兩節(jié)電池共用一組MOS管，減小了成本；根據(jù)電池組中不平衡單元的位置來確定電路的工作模式，實現(xiàn)均衡能量在電池組中電壓最高單體與電壓最低單體之間直接傳輸，使兩者同時進行均衡，具有均衡速度快、效率高、成本低等優(yōu)點。

1 均衡拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 均衡拓撲結(jié)構(gòu)

均衡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1a所示，主要由一個三繞組變壓器和MOS管單元組成能量傳輸網(wǎng)絡(luò)。通過控制MOS管通斷，三繞組變壓器吸收最高電壓電池的能量并釋放給最低電壓電池，實現(xiàn)能量在兩者間的直接傳輸。圖1中線路1將電池組中位置在偶數(shù)位的電池正極相連，線路2將位置在奇數(shù)位的電池正極相連。該拓撲可用于任意數(shù)量單體的串聯(lián)電池組，每增加（或減少）1個單體，僅需增加（或減少）2個MOS管即可，無需改變均衡拓撲的其他參數(shù)，具有良好的拓展性。另外，首尾相連的2個MOS管可實現(xiàn)均衡能量的雙向傳輸，定義為雙向MOS管單元，其工作原理如圖1b所示。

1.2 工作原理

當電池組中電池之間的最大電壓差大于設(shè)定的均衡閾值φ時，均衡電路開始工作；為降低控制電路的復雜程度，將采用固定頻率、固定占空比的脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）波控制MOS管的通斷。根據(jù)電池組中最高電壓電池與最低電壓電池位置奇偶性的不同，新型拓撲電路可分為兩種均衡模式，兩種模式均工作在反激模式。模式1當進行能量傳遞的電池位置序號為一奇一偶時，由繞組W1作為反激變換器的初級繞組，繞組W2作為次級繞組；模式2當進行能量傳遞的電池位置序號的奇偶性相同（均為偶數(shù)或均為奇數(shù)）時，由繞組W1作為反激變換器初級繞組，繞組W3作為次級繞組。電路工作在電流斷續(xù)模式（DCM）以防止變壓器磁芯飽和。

模式1（一奇一偶）：以相鄰電池B1和B2為例分析（非相鄰與相鄰工作原理相同），工作原理如圖2所示，假設(shè)B1電壓最高，B2電壓最低，均衡過程分為兩個階段。變壓器的繞組電流如圖3所示，圖3中[PWM+1]與[PWM-1]表示模式1的控制信號，D1為模式1繞組W1吸收能量占空比，[D2]為繞組W2釋放能量占空比（參數(shù)計算在3節(jié)中分析），[iw1]和[iw2]為變壓器繞組W1和W2的電流，[Ts]為開關(guān)周期。第一階段[（0≤tlt;D1Ts]）：最高電壓電池B1釋放電能，如圖2中實線回路所示。首先在[t=0]時刻，[PWM+1]輸出高電平導通S11、S22、Sw12，電池B1釋放能量給繞組W1，電流[iw1]線性增加，B1端電壓下降，變壓器儲存能量；當[t=D1Ts]時，電流[iw1]增至最大值，[PWM+1]輸出低電平關(guān)斷S11、S22、Sw12。第二階段（[D1Ts≤tlt;（D1+D2）Ts]）：最低電壓電池B2吸收電能，如圖2中虛線回路所示。當[t=D1Ts]時，S11、S22、Sw12關(guān)斷，[PWM-1]輸出高電平導通S22、S31、Sw22，變壓器儲存的能量通過繞組W2釋放給電池B2，電流[iw2]線性下降，電池B2吸收能量，其端電壓上升。經(jīng)過若干周期后，實現(xiàn)電池組中最高電壓的下降與最低電壓的上升。

模式2（奇偶性相同）：以均在奇數(shù)位的電池B1和B3為例分析（同偶與同奇的工作原理相同），工作原理如圖4所示，假設(shè)B1電壓最高，B3電壓最低，均衡過程分為兩個階段。變壓器繞組的電流如圖5所示，圖5中[PWM+2]與[PWM-2]表示模式2的控制信號，[D3]為模式2繞組W1吸收能量占空比，[D4]為繞組W3釋放能量占空比（參數(shù)計算在3節(jié)中分析）；[iw3]為變壓器繞組W3的電流。第一階段（[0≤tlt;D3Ts]）：最高電壓電池B1釋放電能，如圖4中實線回路所示。首先在[t=0]時刻，[PWM+2]輸出高電平導通S11、S22、Sw12，B1釋放能量給繞組W1，[iw1]線性增加，B1端電壓下降，變壓器儲存能量；當[t=D3Ts]時，[iw1]增至最大值，[PWM+2]輸出低電平關(guān)斷S11、S22、Sw12。第二階段（[D3Ts≤tlt;（D3+D4）Ts]）：最低電壓電池B3吸收電能，如圖4中虛線回路所示。當[t=D3Ts]時，S11、S22、Sw12關(guān)斷，[PWM-2]輸出高電平導通S32、S41、Sw31，變壓器儲存的能量通過繞組W3釋放給B3，[iw3]線性下降，電池B3吸收能量，其端電壓上升。經(jīng)過若干周期后，實現(xiàn)電池組中最高電壓的下降與最低電壓的上升。

2 均衡控制策略

根據(jù)工作原理分析可知，電路根據(jù)電池組中不平衡單元的位置可工作在模式1與模式2兩種模式。兩種模式相互交錯運行，實現(xiàn)整個串聯(lián)電池組的完全均衡。均衡控制策略框圖如圖6所示。

均衡開始，首先判斷電池組中最高電壓[Umax]與最低電壓[Umin]，并計算兩者之間的電壓差[ΔU;]設(shè)定均衡閾值[φ，]當電壓差[ΔU]大于均衡閾值[φ]時，均衡電路啟動。接著判斷電池組中最高電壓電池[Bi（i=1，2，…，n）]與最低電壓電池[Bj（j=1，2，…，n）]的位置奇偶性，若[i]與[j]為一奇一偶，此時電路工作在模式1，由繞組W1與W2構(gòu)成的反激變換器實現(xiàn)最高電壓與最低電壓電池之間能量的傳輸；若[i]與[j]的奇偶性相同時，電路工作在模式2，由繞組W1與W3構(gòu)成的反激變換器實現(xiàn)最高電壓與最低電壓電池之間能量的傳輸。循環(huán)往復，直到電池組的電壓極差[ΔU]不大于均衡閾值[φ]，均衡結(jié)束。

3 均衡電路參數(shù)計算

本節(jié)主要對變比[N]、變壓器勵磁電感[Lm]、占空比[D]等參數(shù)進行設(shè)置。由于模式1與模式2工作原理相似，所以本節(jié)以模式1的工作過程為例進行參數(shù)的計算。由于反激電壓過大會影響均衡系統(tǒng)的穩(wěn)定性且反激電壓與變比呈正比，為減小系統(tǒng)中的反激電壓，設(shè)置變壓器變比[N]為1∶1∶1。均衡電路的最大均衡電流根據(jù)電池的最大充、放電電流進行設(shè)置，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

模式1的工作過程可分為最高電壓電池釋放能量與最低電壓電池吸收能量兩個階段，如圖2所示。最高電壓電池釋放能量時[iw1]與[iw2]可表示為：

通過上述分析可得，均衡電路的參數(shù)主要取決于電池的電壓和最大充、放電電流等電池本身的參數(shù)，因此當電池組采用與本文不同型號參數(shù)的電池，均衡電路的參數(shù)須根據(jù)上述分析過程重新計算。

4 仿真分析

為驗證新型拓撲優(yōu)勢，本文搭建變壓器式單體-整體均衡拓撲［4］、變壓器式整體-單體均衡拓撲［6］和新型均衡拓撲的8節(jié)電池仿真模型，分別在速度和效率方面進行對比分析。電路工作在DCM模式下，以電池端電壓作為均衡指標變量。結(jié)合電池最大充、放電電流限制，設(shè)置開關(guān)頻率[fs=10] kHz，均衡電流峰值[ipeak=1.5] A；設(shè)置均衡精度為0.005 V；根據(jù)式（3）選擇勵磁電感[Lm]的值；根據(jù)式（9）和式（11）選取[D1]和[D3]的最佳值；其均衡電路的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

4.1 均衡速度仿真分析

均衡速度是評判均衡拓撲的主要標準之一，設(shè)置電池初始電壓分別為3.845、3.842、3.841、3.839、3.837、3.833、3.831、3.830 V，對比變壓器式單體-整體均衡拓撲［4］、變壓器式整體-單體均衡拓撲［6］和新型均衡拓撲在靜置工況下的仿真結(jié)果，如圖7所示，三者的均衡時間分別為8.30、15.90和7.03 s，可看出新型均衡拓撲的均衡時間相對于單體-整體均衡拓撲縮短了15.3%，相對于整體-單體均衡拓撲縮短了55.7%。由此可得新型均衡拓撲在均衡速度方面具有顯著優(yōu)勢。

單體-整體均衡拓撲對于電壓最高電池具有較好的均衡效果，而電壓最低電池的均衡效果卻不盡人意；相反的，整體-單體均衡拓撲可實現(xiàn)電壓最低電池的有效均衡，而電壓最高電池的均衡效果很不理想。而本文所提出的新型拓撲屬于任意單體-單體均衡類型，可同時實現(xiàn)電池組中最高電壓的下降與最低電壓的上升，因此具有較快的均衡速度。

4.2 均衡效率仿真分析

除了均衡速度，均衡效率也是評判均衡拓撲的標準之一。按文獻［14］中均衡效率[η]的理論分析方法，[η]可表示為：

設(shè)置電池初始電壓分別為3.881、3.879、3.877、3.876、3.873、3.869、3.868、3.866 V，用1 A的恒流源對電池組充電10 s，對不加均衡電路與加入不同均衡電路（新型均衡拓撲、變壓器式單體-整體類型均衡拓撲［4］和變壓器式整體-單體類型均衡拓撲［6］）的電壓變化值進行對比分析，其結(jié)果如表2所示。將電壓變化值代入式（14），計算不同拓撲電路的均衡效率值，可得單體-整體類型拓撲和整體-單體類型拓撲分別為92.0%和94.0%，而新型拓撲的均衡效率可達97.0%?？煽闯霰疚乃嵝滦途馔負湎鄬τ趩误w-整體和整體-單體拓撲具有更高的均衡效率。

5 成本對比

選取具有代表性的變壓器式拓撲，將新型拓撲在元件數(shù)量、成本、體積方面與其進行對比分析，根據(jù)文獻［14］中設(shè)置的各種元件的價格（美元）：MOSFET（0.2）、二極管（0.03）、繞組（0.2）、變壓器鐵心（0.5）和變壓器（3），對各拓撲進行[n]節(jié)電池的成本計算，結(jié)果如表3所示，拓撲成本與電池組電池單體數(shù)量關(guān)系曲線如圖8所示，可看出新型均衡拓撲在成本方面具有較好的表現(xiàn)。

基于變壓器式的均衡拓撲大多數(shù)采用多繞組變壓器或多個變壓器，這就造成當電池組中電池數(shù)量較多時均衡拓撲的成本與體積較大，影響均衡拓撲的經(jīng)濟性。而本文所提新型拓撲結(jié)構(gòu)，電路中僅含有1個三繞組變壓器，相對于文獻［16-18］減少了拓撲中變壓器的數(shù)量，縮小了拓撲電路的體積和成本。[n]節(jié)串聯(lián)電池組的成本為（[0.4n+5.7]）美元，電池組中單體數(shù)量[n]前面的系數(shù)為0.4，因此不會因為串聯(lián)電池組中單體數(shù)量的增加而造成拓撲成本的大幅增加。

6 實驗分析

本文搭建的4節(jié)電池的小型實驗電路如圖9所示，采用DSP28335作為電路的主控制器，電池選擇18650三元鋰電池，單節(jié)電池容量為3.2 Ah，標稱電壓為3.7 V，最大充電電壓為4.2 V；MOS管選擇IRFP460場效應(yīng)管，導通等效電阻[RDS（on）]最大為0.27 Ω；設(shè)置電路啟動閾值[φ]為0.03 V［19］；由于鋰電池最大充、放電電流的限制，為保證實驗電路的安全穩(wěn)定運行，設(shè)置開關(guān)頻率為10 kHz，均衡電流峰值[ipeak]為0.8 A；根據(jù)式（3）選擇勵磁電感[Lm]值；根據(jù)式（9）和式（11）選取占空比[D1]和[D3]的最佳值；電路工作在電流斷續(xù)模式（DCM），均衡電路的具體參數(shù)設(shè)置如表4所示。

均衡過程中變壓器繞組電流波形如圖10所示，可看出模式1與模式2的繞組均衡電流與前面理論分析的結(jié)果相同。為驗證均衡方案的可行性，分別在充電工況、放電工況和靜置工況下進行均衡實驗，實驗波形如圖11所示。靜置實驗設(shè)置4節(jié)電池初始電壓分別為3.96、3.67、3.87、3.74 V，均衡時間為60 min，其實驗結(jié)果如圖11a所示；充電實驗設(shè)置4節(jié)電池初始電壓分別為3.93、3.68、3.62、3.73 V，采用恒壓源對電池組充電80 min，其實驗結(jié)果如圖11b所示；放電實驗設(shè)置4節(jié)電池初始電壓分別為3.98、3.75、3.88、3.66 V，放電時間為90 min，放電負載由兩個阻值為50 Ω、功率為30 W的大功率電阻并聯(lián)而成，其實驗結(jié)果如圖11c所示?？煽闯鲈?種工況下，電池組的最大電壓差均隨時間的推移逐漸縮小并趨于一致，新型均衡拓撲可有效實現(xiàn)電池組的均衡，驗證了其在實際應(yīng)用中的可行性。

為獲得電池的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）均衡波形，采用開路電壓法獲取電池單體SOC值［20］：使電池工作一段時間后停止工作，對電池擱置60 min以消除其極化效應(yīng)，測得電池的開路電壓，再利用電池的開路電壓與荷電狀態(tài)（OCV-SOC）曲線得出當前的電池SOC值，其OCV-SOC曲線如圖12所示。在整個均衡實驗中，對電池電壓進行多次測量，分別對應(yīng)其SOC大小，最終得出電池組的SOC均衡波形。

電池的SOC均衡波形如圖13所示，靜置實驗設(shè)置4節(jié)電池初始SOC分別為71%、67%、60%、53%，設(shè)置均衡時間為120 min，其SOC均衡波形如圖13a所示；充電實驗利用恒壓源對電池組充電120 min，4節(jié)電池初始SOC分別為68%、62%、56%、50%，其SOC均衡波形如圖13b所示；放電實驗設(shè)置4節(jié)電池初始SOC分別為85%、82%、78%、68%，設(shè)置放電時間為120 min，其SOC均衡波形如圖13c所示?？煽闯鲈?種工況下，電池組的最大SOC差值均隨時間的推移而逐漸縮小。

7 結(jié) 論

為解決儲能系統(tǒng)中儲能電池單體之間電壓不一致問題，本文提出一種基于三繞組變壓器任意單體-單體類型均衡拓撲，該拓撲具有以下特點：

1）均衡能量可在電池組中任意單體之間直接傳輸，克服了相鄰單體-單體類型拓撲均衡路徑長、速度慢的缺點，可實現(xiàn)電池組中最高電壓與最低電壓的同時均衡，克服了單體-整體類型拓撲和整體-單體類型拓撲只能實現(xiàn)單方面均衡的缺點。

2）僅采用1個三繞組變壓器進行能量的儲存與傳輸，克服了多變壓器拓撲體積大、成本高的缺點；增加串聯(lián)電池組中單體數(shù)量時，只需增加相應(yīng)的MOS管，無需改變拓撲中的其他參數(shù)，拓展性較好。

最后，將新型拓撲與其他變壓器式均衡拓撲在速度、效率、成本等方面進行對比，結(jié)果表明新型均衡拓撲在速度、效率和成本方面均具有顯著優(yōu)勢。通過搭建小型實驗電路平臺，驗證了新型拓撲在充電、放電和靜置工況下良好的可行性。

［參考文獻］

［1］ 李勇琦， 陳滿， 伍科， 等. H橋級聯(lián)電池儲能系統(tǒng)四級均衡控制研究［J］. 太陽能學報， 2019， 40（5）： 1291-1297.

LI Y Q， CHEN M， WU K， et al. Research on four levels balancing" control" for" cascaded" H-bridge" based" battery energy storage system［J］. Acta energiae solaris sinica， 2019， 40（5）： 1291-1297.

［2］ 羅芬， 凌志斌. 以容量利用率最大化為目標的電池儲能系統(tǒng)均衡電流分析［J］. 太陽能學報， 2020， 41（4）： 318-325.

LUO F， LING Z B. Balance current analysis of battery energy storage system based on capacity utilization maximization［J］. Acta energiae solaris sinica， 2020， 41（4）： 318-325.

［3］ 王楠， 周喜超， 彭勇， 等. 基于證據(jù)KNN分類器的蓄電池一致性診斷［J］. 太陽能學報， 2022， 43（4）： 13-19.

WANG N， ZHOU X C， PENG Y， et al. Battery consistency diagnosis based on evidential KNN classifier［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（4）： 13-19.

［4］ IMTIAZ A M， KHAN F H. “Time shared flyback converter” based regenerative cell balancing technique for series" "connected" "Li-Ion" "battery" "strings［J］." "IEEE transactions on power electronics， 2013， 28（12）： 5960-5975.

［5］ LIM C， LEE K， KU N， et al. A modularized equalization method based on magnetizing energy for a series-connected lithium-ion battery string［J］. IEEE transactions on power electronics， 2014， 29（4）： 1791-1799.

［6］ GUO X W， GENG J H， LIU Z， et al. Active balancing method for series battery pack based on flyback converter［J］. IET circuits， devices amp; systems， 2020， 14（8）： 1129-1134.

［7］ UNO" M，" KUKITA A." Double-switch" equalizer" using parallel- or series-parallel-resonant inverter and voltage multiplier for series-connected supercapacitors［J］. IEEE transactions on power electronics， 2014， 29（2）： 812-828.

［8］ PHUNG T H， COLLET A， CREBIER J. An optimized topology" for" next-to-next" balancing" of" series-connected lithium-ion" "cells［J］." "IEEE" "transactions" "on" "power electronics， 2014， 29（9）： 4603-4613.

［9］ YE Y M， CHENG K W E， YEUNG Y P B. Zero-current switching switched-capacitor zero-voltage-gap automatic equalization" system" for" series" battery" string［J］. IEEE transactions on power electronics， 2012， 27（7）： 3234-3242.

［10］ 劉征宇， 武銀行， 李鵬飛， 等. 基于Cuk斬波電路的電池組均衡方法［J］. 儀器儀表學報， 2019， 40（2）： 233-241.

LIU Z Y， WU Y H， LI P F， et al. Battery pack equalization" method" based" on" Cuk" chopper" circuit［J］. Chinese journal of scientific instrument， 2019， 40（2）： 233-241.

［11］ SHANG Y L， XIA B， ZHANG C H， et al. An automatic equalizer based on forward-flyback converter for series-connected" "battery" "strings［J］. IEEE" "transactions" "on industrial electronics， 2017， 64（7）： 5380-5391.

［12］ 林鴻業(yè)， 康龍云， 盧楚生， 等. 基于電感儲能的新型鋰離子電池組C2C均衡電路［J］. 電力電子技術(shù)， 2020， 54（7）： 39-41.

LIN H Y， KANG L Y， LU C S， et al. A novel lithium-ion battery pack C2C equalization circuit based on inductive energy storage［J］. Power electronics， 2020， 54（7）： 39-41.

［13］ 鄭征， 王肖帥， 李斌， 等. 基于三繞組變壓器的鋰電池組自適應(yīng)交錯控制均衡方案［J］. 儲能科學與技術(shù)， 2022， 11（4）： 1131-1140.

ZHENG Z， WANG X S， LI B， et al. Adaptive interleaved control equalization for lithium-ion battery packs based on three-winding transformers［J］. Energy storage science and technology， 2022， 11（4）： 1131-1140.

［14］ GUO X W， GENG J H， LIU Z， et al. A flyback converter-based" "hybrid" "balancing" "method" "for" "series-connected battery pack in electric vehicles［J］. IEEE transactions on vehicular technology， 2021， 70（7）： 6626-6635.

［15］ 郭向偉， 耿佳豪， 康龍云， 等. 串聯(lián)電池組雙準則雙電壓自適應(yīng)均衡研究［J］. 電力電子技術(shù)， 2020， 54（4）： 26-28.

GUO X W， GENG J H， KANG L Y， et al. Research on double-criteria" " "dual-voltage" " "adaptive" " "equalization technology for series battery packs［J］. Power electronics， 2020， 54（4）： 26-28.

［16］ TAVAKOLI A， KHAJEHODDIN S A， SALMON J. A modular battery voltage-balancing system using a series-connected" "topology［J］." IEEE" "transactions" "on" "power electronics， 2020， 35（6）： 5952-5964.

［17］ YANG Y D， HU K Y， TSAI C H. Digital battery management design for point-of-load applications with cell balancing［J］. IEEE transactions on industrial electronics， 2020， 67（8）： 6365-6375.

［18］ LI Y， XU J， MEI X S， et al. A unitized multiwinding transformer-based" " equalization" " method" " for" " series-connected battery strings［J］. IEEE transactions on power electronics， 2019， 34（12）： 11981-11989.

［19］ 鄒大中， 陳浩舟， 李勛， 等. 基于云端充電數(shù)據(jù)的鋰電池組一致性評價方法［J］. 電網(wǎng)技術(shù)， 2022， 46（3）： 1049-1064.

ZOU D Z， CHEN H Z， LI X， et al. Cell-to-cell variation evaluation for lithium-ion battery packs in electric vehicles with" cloud" charging" data［J］." Power" system" technology， 2022， 46（3）： 1049-1064.

［20］ 郭向偉， 劉震， 康龍云， 等. 一種單電感串并聯(lián)電池組均衡方法［J］. 電機與控制學報， 2021， 25（12）： 87-95.

GUO X W， LIU Z， KANG L Y， et al. Series-parallel battery pack balancing method with single inductor［J］. Electric machines and control， 2021， 25（12）： 87-95.

NEW EQUALIZATION TOPOLOGY FOR BATTERY PACKS BASED ON THREE-WINDING TRANSFORMER

Zheng Zheng1，Wang Xiaoshuai1，Li Bin1，Huang Tao2

（1. College of Electrical Engineering and Automation， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， China；

2. College of Energy， Politecnico di Torino， Turin 10129， Italy）

Abstract：Voltage inconsistency of cell in an energy storage battery pack seriously affects the safe and stable operation of the energy storage system. We propose an any cell to cell active equalization topology based on a three-winding transformer， which can realize the direct transfer of equalization energy between the highest voltage cell and the lowest voltage cell， with the advantages of fast equalization speed， high efficiency and low cost. Simulation models and small experimental circuit are built， and the simulation and experimental results show the advantages of the new topology in terms of equalization speed and efficiency as well as its feasibility in practical applications.

Keywords：battery pack； energy storage system； three-winding transformer； active equalization； any cell to cell

收稿日期：2022-05-22

基金項目：國家自然科學基金（61703144）；河南省高等學校重點科研項目（20A470005）

通信作者：李 斌（1987—），男，博士、講師、碩士生導師，主要從事微電網(wǎng)架構(gòu)與控制方面的研究。libin@hpu.edu.cn