基于柔性重构的双层主动均衡系统在电池包能量一致性优化中的应用与实验验证

本文提出一种基于柔性重构的双层主动均衡（Active Equalization）拓扑结构，结合图论（Graph Theory）建模与深度优先搜索（DFS）算法，实现电池包内能量高效转移与故障单元隔离。该系统在硬件在环（HIL）实验中表现出优于传统C2C双调谐电容（C2CDC）方案的均衡性能，兼顾效率与可靠性，为电动汽车（EV）与化学储能系统（CBES）的电池管理系统（BMS）提供了创新解决方案。

　　

Equalization topology configuration

该双层均衡电路的拓扑结构如图1(a)所示。电池包由$n$个串联模块组成，每个模块包含$m$个串联电芯。模块开关网络（$K,S,P$）用于模块串联，电芯开关网络（$k,s,p$）实现模块内电芯的柔性串联连接。

Equalization strategy

深度优先搜索算法（DFS）广泛用于遍历或搜索树与图结构。该算法从起始顶点出发，沿分支深入搜索目标顶点；若未找到目标，则回溯至前一决策点并尝试其他路径，直至找到目标或遍历全部顶点。本研究提出一种基于DFS的均衡策略，用于识别最优能量路径。

Experimental platform

为验证方案有效性，搭建了硬件在环（HIL）实验平台（图3），核心包括：运行dSPACE ControlDesk的计算机、用于模拟虚拟电池的电力电子仿真器（PLECS RT-Box 1）、以及用于采集电池参数的管理系统（BMS）。BMS通过RS-485通信总线将数据传送至实时仿真器（dSPACE MicroLabBox）。

Conclusions

均衡管理是电池管理系统（BMS）的核心功能。本研究提出一种基于路径规划算法的主动均衡方案。首先，利用柔性重构技术设计双层主动均衡拓扑，并通过图论建立均衡过程的图模型，提升均衡效率与便捷性。图中边权由电池能量状态与开关损耗共同决定。

CRediT authorship contribution statement

Guozhi Yang: 初稿撰写、软件、方法、数据整理与概念设计；Jiaqiang Tian: 审阅编辑、验证、监督、软件、调研、资金获取与概念设计；Zepei Zhang: 审阅编辑、可视化、验证、软件与资源；Yuan Fan: 审阅编辑与形式分析；Tianhong Pan: 审阅编辑、项目管理与资金获取。

Acknowledgments

本研究部分得到安徽省重点研发计划项目（Grant 202304a05020046、202423i08050033）与国家自然科学基金（Grant 62203352）资助。

Declaration of competing interest

作者声明不存在已知可能影响本研究的财务利益或个人关系。