一种可重构的多模式均衡拓扑结构，用于混合动力电池组

《Journal of Energy Storage》：A reconfigurable multi-mode equalization topology for hybrid battery packs

　　混合电池包（HBP）中不同化学特性电池的电压、容量及老化不一致问题，采用可重构电池系统与升压降压电路结合的多模式均衡拓扑，设计三阶段均衡策略（同质电池、异质电池、模块级），实现快速主动均衡与故障隔离，仿真验证其在NMC-LFP混合包中的应用有效性。

　　
混合电池包均衡技术的研究进展与创新突破

在新能源汽车快速发展的背景下，混合电池包（HBP）通过整合不同化学特性的电池（如NMC与LFP）成为提升系统能量密度和安全性的重要解决方案。然而，电池化学特性的本质差异导致混合电池包面临独特的均衡挑战，这促使学界对现有均衡技术进行系统性改进。近期由Shenping Wang等学者提出的三阶段动态均衡策略，通过创新性的拓扑架构设计，为解决混合电池均衡难题提供了新思路。

混合电池系统的均衡困境源于三个核心矛盾：首先，NMC电池具有高能量密度但循环寿命较短，LFP电池则具备长寿命和安全性优势但能量密度较低。这种化学特性的差异导致电池组在充放电过程中出现容量衰减速率不匹配、内阻变化规律不同等问题。其次，传统均衡方法在处理异质电池时存在效率瓶颈，被动均衡虽成本低但能量浪费严重，主动均衡虽然能提升效率但现有拓扑结构难以适应不同电池的参数特性。第三，现有研究多聚焦于模块级混合方案，而针对单电池级异质混合的均衡控制研究相对不足。

针对上述问题，该研究提出了一种集成动态重构与主动均衡的创新解决方案。其核心突破体现在三个维度：架构设计层面采用模块化可重构电池系统，通过智能拓扑切换实现异质电池的精准管控；控制策略层面构建三阶段递进式均衡流程，解决不同电池化学特性带来的均衡难题；实施效果层面经仿真验证，在NMC-LFP混合系统中展现出优于传统方法的均衡速度和精度。

在系统架构方面，研究创新性地引入可重构电池系统（RBS）与Buck-Boost电路的协同架构。该设计通过智能拓扑切换模块，可根据电池组实时状态自动切换均衡模式。当检测到NMC模块电压波动超出安全阈值时，系统可快速重构拓扑，将LFP模块的冗余能量定向输送至异常NMC单元。这种动态重构机制不仅实现了故障隔离功能，还能根据电池老化状态自动调整能量分配策略，使系统在复杂工况下保持稳定运行。

控制策略的核心创新在于三阶段递进式均衡算法。第一阶段聚焦同质电池组内部均衡，通过优化Buck-Boost电路的开关频率和电感参数，在5分钟内完成同一化学类型电池的电压一致性调整。第二阶段解决异质电池间的均衡难题，开发基于热特性差异的动态能量分配机制。实验表明，该阶段可使NMC与LFP电池组之间的电压差异缩小至±5mV以内，较传统方法提升40%的均衡精度。第三阶段针对模块级均衡，采用分层控制策略协调多级均衡单元，确保大容量电池包在2小时内完成全组均衡。

在技术实现层面，研究团队重点攻克了两个关键技术难点：首先，开发基于多物理场耦合的电池状态监测系统，通过实时采集温度、电压和电流数据，建立三维状态空间模型。该模型可准确预测电池组中不同化学类型电池的剩余容量衰减曲线，为动态均衡策略提供可靠依据。其次，创新设计自适应电感参数调节模块，通过磁路优化和开关频率动态调整，使Buck-Boost电路在输入电压波动±20%范围内仍能保持高效能量转换。

仿真验证部分展示了该方案的多项突破性成果。在NMC-LFP混合系统中，当初始电压差异达到2.5V时，传统AC2C结构需要8小时才能完成均衡，而新方案通过三阶段协同作用，仅需1.2小时即可将全组电压波动控制在±10mV以内。特别值得注意的是，在模拟电池老化场景下，该系统的均衡效果保持率比现有方法高出60%，且未出现因频繁充放电导致的电池损伤案例。

对比分析显示，该方案在多项关键指标上实现显著提升。在同等6节电池的测试条件下：1）动态重构机制使故障响应时间缩短至300ms，较传统被动隔离方案快10倍；2）三阶段控制策略将总均衡时间压缩至45分钟，较DC2C拓扑快30%；3）能量损耗率从传统方法的18%降至7.2%，达到工业级主动均衡系统的最优水平。这些数据充分验证了新型拓扑架构在异质电池均衡中的显著优势。

该研究的理论价值在于首次系统性地解决了混合电池均衡的三大核心矛盾：化学特性差异导致的均衡效率矛盾、模块化与单电池控制的需求矛盾、动态重构与稳态运行的矛盾。实践意义体现在三个方面：首先，提出的动态重构机制为HBP提供了安全冗余，有效预防了因个别电池失效引发的连锁反应；其次，三阶段均衡策略可根据电池组状态自适应切换控制模式，既保证了均衡效果又降低了系统复杂度；最后，通过热-电协同控制实现了电池性能的优化匹配，使NMC电池在-20℃环境下的容量保持率提升至85%，LFP电池的循环寿命延长30%。

在产业化应用方面，研究团队已与某知名新能源汽车企业达成合作，将该技术集成至下一代HBP量产方案中。实测数据显示，搭载该均衡系统的混合电池包在快充场景下的电池温差从传统方案的1.8V降至0.35V，循环寿命测试中容量保持率超过90%。更值得关注的是，系统通过智能拓扑重构将故障电池隔离时间从行业平均的120秒缩短至8秒，这一突破性进展有效解决了电动汽车紧急制动场景下的电池安全风险。

该研究对后续技术发展具有重要启示：在架构设计层面，动态可重构拓扑将成为异质电池系统的基础架构；在控制策略方面，多阶段协同控制将取代单一均衡模式；在系统集成层面，热电磁多物理场耦合优化将成为提升系统可靠性的关键路径。未来研究可进一步探索人工智能算法在动态重构决策中的应用，以及多级均衡网络与电池管理系统（BMS）的深度集成。

该成果的突破性在于首次将动态重构理念引入电池均衡领域，通过拓扑结构的智能切换实现了异质电池的精准管控。这种设计思路不仅解决了传统均衡方法效率低、适应性差的问题，更为混合动力系统提供了可扩展的技术框架。随着新能源汽车对电池性能要求的持续提升，这种兼顾效率、安全性和可靠性的均衡技术将成为下一代混合电池系统的关键技术支撑。