CN110492553A - 一种电化学储能系统主动均衡电路及均衡控制方法 - Google Patents

一种电化学储能系统主动均衡电路及均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电化学储能系统主动均衡电路及均衡控制方法，该均衡电路包括两个以上电池单体串联构成的电池串、均衡臂、均衡母线、储能元件，均衡臂包括上均衡臂和下均衡臂，均衡母线包括正均衡母线和负均衡母线，每个电池单体的正极通过上均衡臂连接至正均衡母线，电池单体的负极通过下均衡臂连接至负均衡母线，正均衡母线和负均衡母线之间通过储能元件连接。通过控制均衡臂的导通状态和导通时序，可以使单体电压较高的一个或多个相连的电池单体通过均衡臂及均衡母线将能量传递给储能元件，储能元件再将能量经由均衡母线及均衡臂将能量传递给单体电压较低的一个或多个相连的电池单体。该电路拓扑结构简单、有效，不仅成本低，而且可靠性高。

Description

一种电化学储能系统主动均衡电路及均衡控制方法
技术领域
本发明涉及一种电化学储能系统主动均衡电路及均衡控制方法，属于储能领域。
背景技术
未来智能电网中将接入大规模电化学储能系统用以实现能源的高效利用，而这些电化学储能系统中的储能介质主要使用电动汽车及其他领域退役的梯次利用电池，这些电池经过初步筛选后电池状态相近的电池单体或模块重新构成了新的储能系统。由于这些梯次利用电池的生产工艺不同，使用环境与之前可能也不同，电池单体或模块的电池状态和体质又存在一定程度的差异。随着循环次数的增加，这些电池单体或模块的不一致性(离散性)会趋于明显并影响电池系统可用容量、整体寿命和系统安全性。
电池组均衡是一种通过额外设计的电路将电池组中电压较高的电池单体上的电量转移到电压较低的电池单体上的技术，额外设计的电路被称为均衡电路。均衡通常分为主动均衡和被动均衡，主动均衡也称为能量转移式均衡，通过储能元件实现电池组中单体电池间的能量转移。相对于被动均衡，主动均衡能量损耗小，但结构、控制算法复杂成本较高。
未来大规模储能系统在智能电网中的比例将会不断提升，储能系统的使用频率也会不断的增加。储能系统的循环效率将直接影响系统的效率，储能系统的全寿命成本也会在一定程度上影响智能电网的运维成本。而电池管理系统中的均衡电路及控制算法直接影响储电化学能系统的循环效率及其寿命。现有电池管理系统中的均衡电路及控制算法还无法以较低的成本提高电化学储能系统的循环效率、降低运维成本。
发明内容
发明目的：本发明提出一种电化学储能系统主动均衡电路及均衡控制方法，用较少的开关器件实现较高的主动均衡效率，以较低成本提高电化学储能系统的循环效率、降低运维成本。
技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种电化学储能系统主动均衡电路，包括两个以上电池单体串联构成的电池串、均衡臂、均衡母线、储能元件，所述均衡臂包括上均衡臂和下均衡臂，所述均衡母线包括正均衡母线和负均衡母线，每个电池单体的正极通过上均衡臂连接至正均衡母线，每个电池单体的负极通过下均衡臂连接至负均衡母线，所述正均衡母线和负均衡母线之间通过所述储能元件连接，所述上均衡臂和下均衡臂均为可控开关。
优选地，每个均衡臂均包括一个开关管和与其串联的二极管，所述上均衡臂中二极管阴极连接正均衡母线，二极管阳极通过开关管连接电池单体正极；所述下均衡臂中二极管阴极连接电池单体负极，二极管阳极通过开关管连接负均衡母线。
另选地，每个均衡臂均包括串联对接的两个开关管。
优选地，所述电池串的串首通过二极管Du连接负均衡母线，其中二极管Du阴极连接串首电池单体正极，二极管Du阳极连接负均衡母线；所述电池串的串尾通过二极管Dd连接正均衡母线，其中二极管Dd阳极连接串尾电池单体负极，二极管Dd阴极连接正均衡母线。
另选地，所述电池串的串首通过开关管Du连接负均衡母线；所述电池串的串尾通过开关管Dd连接正均衡母线。
优选地，所述开关管为含有反并联二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。
优选地，所述储能元件为电感。
根据本发明的第二方面，提供基于上述主动均衡电路的均衡控制方法，所述方法通过控制均衡臂可控开关的导通状态和导通时序，使单体电压较高的一个或多个相连的电池单体通过均衡臂及均衡母线将能量传递给储能元件，储能元件再将能量经由均衡母线及均衡臂将能量传递给单体电压较低的一个或多个相连的电池单体。
进一步地，所述均衡控制方法中以Bi表示第i个电池单体，其上均衡臂记作Si u，下均衡臂记作Si d，Bj表示第j个电池单体，其上均衡臂记作Sj u，下均衡臂记作Sj d，i<j，即Bi的负极绝对电压高于或等于Bj的正极，Bi+1为Bi负极相连的电池单体，Bi-1为Bi正极相连的电池单体，Bj+1为Bj负极相连的电池单体，Bj-1为Bj正极相连的电池单体；
当Bi单体电压高于Bj单体电压时，从Bi向Bj传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Si u、Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，Bi通过Si u和Si d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Si d和Sj+1 u及正负均衡母线为Bi+1至Bj电池单体组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Sj-1 d和Sj+1 u为Bj充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Si u、Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bi至Bj-1电池单体组合通过Si u和Sj-1 d及正负均衡母线为储能元件充电；
当Bi单体电压低于Bj单体电压时，从Bj向Bi传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，Bj通过Sj u和Sj d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Sj u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Sj u和Si-1 d及正负均衡母线为Bj-1至Bi电池单体组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Si+1 u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Si-1 d和Si+1 u为Bi充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d、Si-1 d和Si+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bj至Bi+1电池单体组合通过Sj d和Si+1 u及正负均衡母线为储能元件充电。
另选地，所述均衡控制方法在包含多个电池单体的电池组合与一个电池单体之间传输电量，所述包含多个电池单体的电池组合以Bi表示，该组合首端单体的上均衡臂记作Si u，组合尾端单体的下均衡臂记作Si d，所述一个电池单体以Bj表示，其上均衡臂记作Sj u，下均衡臂记作Sj d，i<j，即Bi的尾端负极绝对电压高于或等于Bj的正极绝对电压值，Bi+1为Bi尾端单体负极相连的电池单体，Bi-1为Bi首端单体正极相连的电池单体，Bj+1为Bj负极相连的电池单体，Bj-1为Bj正极相连的电池单体；
当Bi电池组合电压高于Bj单体电压时，从Bi向Bj传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Si u、Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，Bi通过Si u和Si d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Si d和Sj+1 u及正负均衡母线为Bi+1至Bj电池组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Sj-1 d和Sj+1 u为Bj充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Si u、Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bi至Bj-1电池组合通过Si u和Sj-1 d及正负均衡母线为储能元件充电；
当Bi电池电压低于Bj单体电压时，从Bj向Bi传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，Bj通过Sj u和Sj d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Sj u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Sj u和Si-1 d及正负均衡母线为Bj-1至Bi电池组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Si+1 u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Si-1 d和Si+1 u为Bi充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d、Si-1 d和Si+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bj至Bi+1电池组合通过Sj d和Si+1 u及正负均衡母线为储能元件充电。
另选地，所述均衡控制方法在一个电池单体与包含多个电池单体的电池组合之间传输电量，所述一个电池单体以Bi表示，其上均衡臂记作Si u，下均衡臂记作Si d，所述包含多个电池单体的电池组合以Bj表示，该组合首端单体的上均衡臂记作Sj u，组合尾端单体的下均衡臂记作Sj d，i<j，即Bi的负极绝对电压高于或等于Bj的首端正极绝对电压值，Bi+1为Bi负极相连的电池单体，Bi-1为Bi正极相连的电池单体，Bj+1为Bj尾端单体负极相连的电池单体，Bj-1为Bj首端单体正极相连的电池单体；
当Bi单体电压高于Bj电池组合电压时，从Bi向Bj传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Si u、Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，Bi通过Si u和Si d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Si d和Sj+1 u及正负均衡母线为Bi+1至Bj电池组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Sj-1 d和Sj+1 u为Bj充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Si u、Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bi至Bj-1电池组合通过Si u和Sj-1 d及正负均衡母线为储能元件充电；
当Bi单体电压低于Bj电池组合电压时，从Bj向Bi传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，Bj通过Sj u和Sj d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Sj u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Sj u和Si-1 d及正负均衡母线为Bj-1至Bi电池组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Si+1 u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Si-1 d和Si+1 u为Bi充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d、Si-1 d和Si+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bj至Bi+1电池组合通过Sj d和Si+1 u及正负均衡母线为储能元件充电。
另选地，所述均衡控制方法从包含多个电池单体的电池组合Bi向另一包含多个电池单体的电池组合Bj传输电量，其中Bi组合首端单体的上均衡臂记作Si u，Bi组合尾端单体的下均衡臂记作Si d，Bj组合首端单体的上均衡臂记作Sj u，组合尾端单体的下均衡臂记作Sj d，i<j，即Bi的尾端负极绝对电压高于或等于Bj的首端正极绝对电压，Bi+1为Bi尾端单体负极相连的电池单体，Bi-1为Bi首端单体正极相连的电池单体，Bj+1为Bj尾端单体负极相连的电池单体，Bj-1为Bj首端单体正极相连的电池单体；
当Bi电池电压高于Bj电池电压时，从Bi向Bj传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Si u、Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，Bi通过Si u和Si d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Si d和Sj+1 u及正负均衡母线为Bi+1至Bj电池组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Sj-1 d和Sj+1 u为Bj充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Si u、Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bi至Bj-1电池组合通过Si u和Sj-1 d及正负均衡母线为储能元件充电；
当Bi中的电池电压低于Bj中的电池电压时，从Bj向Bi传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，Bj通过Sj u和Sj d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Sj u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Sj u和Si-1 d及正负均衡母线为Bj-1至Bi电池组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Si+1 u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Si-1 d和Si+1 u为Bi充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d、Si-1 d和Si+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bj至Bi+1电池组合通过Sj d和Si+1 u及正负均衡母线为储能元件充电。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、根据本发明的技术方案，对于一个由n个电池单体串联组成的电池串，均衡电路仅需要2n或4n+2个开关管，大幅减少开关器件的数量，降低成本。
2、本发明的均衡电路仅采用一个电感作为储能器件，大幅简化了储能电路，降低了成本，提高了均衡过程中能量转存的效率。且电感一直存在续流电路，提高了均衡电路的可靠性。
3、本发明的控制策略能够使得均衡过程中每次仅改变一个均衡臂状态，防止同时改变多个均衡臂时因时间偏差而产生的冲击。
附图说明
图1为根据一实施例的主动均衡电路拓扑结构图；
图2为含有反并联二极管的N沟道MOSFET示意图；
图3为一个电池串及主动均衡电路示意图；
图4为根据图3的主动均衡电路的均衡臂控制时序图；
图5为根据一实施例的充电时段电池串及均衡电路的工作状态图；
图6为根据一实施例的充电死区电池串及均衡电路的工作状态图；
图7为根据一实施例的放电时段电池串及均衡电路的工作状态图；
图8为根据一实施例的放电死区电池串及均衡电路的工作状态图；
图9为根据另一实施例的均衡电路中工作状态的均衡臂控制时序图；
图10为根据另一实施例的充电时段电池串及均衡电路的工作状态图；
图11为根据另一实施例的充电死区电池串及均衡电路的工作状态图；
图12为根据另一实施例的放电时段电池串及均衡电路的工作状态图；
图13为根据另一实施例的放电死区电池串及均衡电路的工作状态图；
图14为根据又一实施例的主动均衡电路的拓扑结构图；
图15为根据图14的主动均衡电路的场景1均衡臂控制时序图；
图16为根据图14的主动均衡电路的场景2均衡臂控制时序图；
图17为根据图14的主动均衡电路的场景3均衡臂控制时序图；
图18为根据图14的主动均衡电路的场景4均衡臂控制时序图；
图19为根据图14的主动均衡电路的场景5均衡臂控制时序图；
图20为根据图14的主动均衡电路的场景6均衡臂控制时序图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，电池管理系统中主动均衡电路包括若干个电池单体、均衡臂、均衡母线、电感，均衡臂包括上均衡臂和下均衡臂，均衡母线包括正均衡母线和负均衡母线，若干个电池单体串联形成电池串，每个电池单体的正极通过上均衡臂连接至正均衡母线，每个电池单体的负极通过下均衡臂连接至负均衡母线，正均衡母线和负均衡母线之间通过电感连接。对于由n个电池单体串联组成的电池串，电池串正极称为电池串首，负极称为电池串尾。均衡电路包含n个上均衡臂和n个下均衡臂，一个电池串首和一个电池串尾臂，一个储能电感，一条正均衡母线和一条负均衡母线。电池串首臂连接电池串正极与负均衡母线，电池串尾臂连接电池串负极与正均衡母线。电池串首臂和电池串尾臂统称电池串臂，电池串臂由二极管或开关管构成，使得电池串臂中电流可以单相导通。电池串首臂记作Du，电池串尾臂记作Dd。均衡臂电路使用开关管串联二极管或两个对接开关管，使得均衡臂中电流可以单向导通且可控。电路拓扑中共有2n个开关管和2n+2个二极管或4n+2个开关管。
图1中所示均衡臂电路使用开关管串联二极管的结构，开关管为含有反并联二极管的N沟道MOSFET，该MOSFET的结构如图2所示，其在均衡臂电路中连接关系为：上均衡臂中场效应管漏极连接电池单体正极，场效应管源极连接二极管阳极，二极管阴极连接正均衡母线；下均衡臂中场效应管漏极连接负均衡母线，场效应管源极连接二极管阳极，二极管阴极连接电池单体负极。
在其他实施例中，均衡臂电路可以使用开关管对接的结构，以上述含有反并联二极管的N沟道MOSFET为例，每个均衡臂均包括串联对接的第一场效应管和第二场效应管，上均衡臂中第一场效应管漏极连接电池单体正极，第一场效应管源极连接第二场效应管的源极，第二场效应管的漏极连接正均衡母线；下均衡臂中第一场效应管漏极连接负均衡母线，第一场效应管源极连接第二场效应管的源极，第二场效应管的漏极连接电池单体负极。
图1中示出的电池串串首通过二极管Du连接负均衡母线，电池串的串尾通过二极管Dd连接正均衡母线，具体连接关系为：串首电池单体的正极连接二极管Du阴极，二极管Du阳极连接负均衡母线，串尾电池单体的负极连接二极管Dd阳极，二极管Dd阴极连接正均衡母线。
在其他实施例中，以含有反并联二极管的N沟道MOSFET为例，电池串的串首通过N型MOS管Du连接负均衡母线，电池串的串尾通过N型MOS管Dd连接正均衡母线，N型MOS漏极接高压侧，源极接低压侧，具体连接关系为：串首电池单体的正极连接场效应管Du的漏极，场效应管Du的源极连接负均衡母线，串尾电池单体的负极连接场效应管Dd的源极，场效应管Dd的漏极连接正均衡母线。
在其他实施例中，开关管也可使用含有反并联二极管的P沟道MOSFET，但源极与漏极的连接方式要调换，或者IGBT、IGCT等开关器件。本领域普通技术人员基于本发明所公开的内容以及开关器件的基本特性应该能够了解具体如何连接，此处不再赘述。
电池串首开始计数的第k个电池单体记作Bk，其上均衡臂记作Sk u，下均衡臂记作Sk d。上均衡臂中电流仅能在导通状态下由连接的电池单体流向连接的均衡母线，下均衡臂中电流仅能在导通状态下由连接的均衡母线流向连接的电池单体。
在均衡过程中，通过控制均衡臂的导通状态和导通时序，使单体电压较高的一个或多个相连的电池单体通过均衡臂及均衡母线将能量传递给储能电感，储能电感再将能量经由均衡母线及均衡臂将能量传递给单体电压较低的一个或多个相连的电池单体。
图3所示为一个电池串及主动均衡电路。
Ci表示第i个待均衡的电池单体及其均衡臂或多个相连的电池单体组合及其均衡臂。当Ci表示一个单体及其均衡臂时，Ci的电气连接方式如“电路2”所示，其中电池单体的上均衡臂记作Si c,u，下均衡臂记作Si c,d。当Ci表示多个相连的电池单体组合及其均衡臂时，Ci的电气连接方式如“电路6”所示，其中电池组合首端的电池单体的上均衡臂记作Si c,u，电池组合尾端的电池单体的下均衡臂记作Si c,d。
当Ci不在电池串首端时，Ci正极相连的电池单体及其均衡臂及记作Ci u，电气连接如“电路1”所示，其中下均衡臂记作Si u,d。当Ci在电池串首端时，Ci正极与电池串首臂相连，电气连接如“电路5”所示，Si u,d代表Du。
当Ci不在电池串尾端时，Ci负极相连的电池单体及其均衡臂及记作Ci d，电气连接如“电路4”所示，其中上均衡臂记作Si d,u。当Ci在电池串尾端时，Ci负极与电池串尾臂相连，电气连接如“电路8”所示，Si d,u代表Dd。
两个待均衡电池单体或单体组合Ci和Cj，其中Ci位于Cj的上端，即Ci的负极绝对电压高于Cj的正极。
场景1)
当Ci中的单体电压高于Cj中的单体电压，Ci需要向Cj传输电量以降低Ci与Cj间电池单体电压差。将均衡工作周期T分为四个时段，均衡电路中工作状态的均衡臂控制时序如图4所示，[t0t4]是周期，[t1t2]和[t3t4]是死区时间，由器件性能决定最小值，设置稍大于最小值即可；[t0t2]与[t2t4]近似由均衡过程中充电电池单体数量和放电电池单体数量比决定，放电时段*放电电池单体数＝充电时间段*充电电池单体数，存在的误差每10个周期进行微调。均衡过程电流轨迹如下：
[t0,t1)时段为充电时段，电池串及均衡电路的工作状态如图5所示，所有均衡臂中仅Si c,u、Si c,d和Sj d,u导通，其余均衡臂关断。Ci中电池单体通过Si c,u和Si c,d及正负均衡母线向储能电感充电，电感电流增大。充电过程中Sj d,u虽然导通，但并无电流通过。
[t1,t2)时段为充电死区，电池串及均衡电路的工作状态如图6所示，所有均衡臂中仅Si c,d和Sj d,u导通，其余均衡臂关断。电感续流，并通过Si c,d和Sj d,u及正负均衡母线为Ci d至Cj电池单体组合充电。
[t2,t3)时段为放电时段，电池串及均衡电路的工作状态如图7所示，所有均衡臂中仅Si c,d、Sj u,d和Sj d,u导通，其余均衡臂关断。电感通过正负均衡母线及Sj u,d和Sj d,u为Cj充电，电感电流减小。充电过程中Si c,d虽然导通，但并无电流通过。
[t3,t4)时段为放电死区，电池串及均衡电路的工作状态如图8所示，所有均衡臂中仅Si c,u、Si c,d、Sj u,d和Sj d,u导通，其余均衡臂关断。由于电压差，Ci与Cj u电池单体组合通过Si c,u和Sj u,d及正负均衡母线为电感充电。充电过程中Si c,d和Sj d,u虽然导通，但并无电流通过。
场景2)
当Ci中的单体电压低于Cj中的单体电压，Cj需要向Ci传输电量以降低Ci与Cj间电池单体电压差。将均衡工作周期T分为四个时段，均衡电路中工作状态的均衡臂控制时序如图9所示，均衡过程电流轨迹如下所示：
[t0,t1)时段为充电时段，电池串及均衡电路的工作状态如图10所示，所有均衡臂中仅Sj c,u、Sj c,d和Si u,d导通，其余均衡臂关断。Cj中电池单体通过Sj c,u和Sj c,d及正负均衡母线向储能电感充电，电感电流增大。充电过程中Si u,d虽然导通，但并无电流通过。
[t1,t2)时段为充电死区，电池串及均衡电路的工作状态如图11所示，所有均衡臂中仅Sj c,u和Si u,d导通，其余均衡臂关断。电感续流，并通过Sj c,u和Si u,d及正负均衡母线为Ci至Cj u电池单体组合充电。
[t2,t3)时段为放电时段，电池串及均衡电路的工作状态如图12所示，所有均衡臂中仅Sj c,u、Si u,d和Si d,u导通，其余均衡臂关断。电感通过正负均衡母线及Si u,d和Si d,u为Ci充电，电感电流减小。充电过程中Sj c,u虽然导通，但并无电流通过。
[t3,t4)时段为放电死区，电池串及均衡电路的工作状态如图13所示，所有均衡臂中仅Sj c,u、Sj c,d、Si u,d和Si d,u导通，其余均衡臂关断。由于电压差，Ci d与Cj电池单体组合通过Si d,u和Sj c,d及正负均衡母线为电感充电。充电过程中Si u,d和Sj c,u虽然导通，但并无电流通过。
下面通过一个实例进一步说明本发明的技术方案。
一组由8个磷酸铁锂电池单体串联构成的电池组模块及电池管理单元中主动均衡电路的拓扑结构如图14所示。
场景1)
当电池管理系统监测到电池模块单体B3的电压过高而B7过低，主动均衡电路从电池单体B3向电池单体B7转移电量。电池单体B3、上均衡臂S3 u、下均衡臂S3 d记为C3，电池单体B7、上均衡臂S7 u、下均衡臂S7 d记为C7。那么，S3 u即为S3 c,u、S3 d即为S3 c,d、S2 d即为S3 u,d、S4 u即为S3 d,u、S7 u即为S7 c,u、S7 d即为S7 c,d、S6 d即为S7 u,d、S8 u即为S7 d,u。
设定开关频率为500Hz，死区时间为2×10-6s，那么在一个周期，即10-3s内非保持关断均衡臂动作如图15所示，控制策略如下：
[0s,9.98×10-4s)内所有均衡臂中仅S3 u、S3 d和S8 u导通，其余均衡臂关断。B3为储能电感充电。S8 u虽然导通，但并无电流通过。
[9.98×10-4s,10-3s)时段所有均衡臂中仅S3 d和S8 u导通，其余均衡臂关断。电感通过S3 d和S8 u为B4至B7充电。
[10-3s,1.998×10-3s)时段所有均衡臂中仅S3 d、S6 d和S8 u导通，其余均衡臂关断。电感通过S6 d和S8 u为B7充电。S6 d虽然导通，但并无电流通过。
[1.998×10-3s,2×10-3s)时段所有均衡臂中仅S3 u、S3 d、S6 d和S8 u导通，其余均衡臂关断。B3至B6通过S3 u和S6 d为电感充电。S3 d和S8 u虽然导通，但并无电流通过。
由于电池单体电压差异及传感器测量误差，每10个周期对电感电流校正一次，即调整占空比以使每周期末端时刻电感残余电流归零。
场景2)
当电池管理系统监测到电池模块单体B8的电压过高而B2过低，主动均衡电路从电池单体B8向电池单体B2转移电量。电池单体B2、上均衡臂S2 u、下均衡臂S2 d记为C2，电池单体B8、上均衡臂S8 u、下均衡臂S8 d记为C8。那么，S2 u即为S2 c,u、S2 d即为S2 c,d、S1 d即为S2 u,d、S3 u即为S2 d,u、S8 u即为S8 c,u、S8 d即为S8 c,d、S7 d即为S8 u,d、Dd即为S8 d,u。
设定开关频率为500Hz，死区时间为2×10-6s，那么在一个周期，即10-3s内非保持关断均衡臂动作如图16所示，控制策略如下：
[0s,9.98×10-4s)内所有均衡臂中仅S8 u、S8 d和S1 d导通，其余均衡臂关断。B8为储能电感充电。S1 d虽然导通，但并无电流通过。
[9.98×10-4s,10-3s)时段所有均衡臂中仅S8 u和S1 d导通，其余均衡臂关断。电感通过S8 u和S1 d为B2至B7充电。
[10-3s,1.998×10-3s)时段所有均衡臂中仅S8 u、S1 d和S3 u导通，其余均衡臂关断。电感通过S1 d和S3 u为B2充电。S8 u虽然导通，但并无电流通过。
[1.998×10-3s,2×10-3s)时段所有均衡臂中仅S8 u、S8 d、S1 d和S3 u导通，其余均衡臂关断。B3至B8通过S3 u和S8 d为电感充电。S1 d和S8 u虽然导通，但并无电流通过。
由于电池单体电压差异及传感器测量误差，每10个周期对电感电流校正一次，即调整占空比以使每周期末端时刻电感残余电流归零。
场景3)
当电池管理系统监测到电池模块单体B3和B4的电压过高而B7过低，主动均衡电路从电池单体B3和B4向电池单体B7转移电量。电池单体B3和B4、上均衡臂S3 u、下均衡臂S4 d记为C3，电池单体B7、上均衡臂S7 u、下均衡臂S7 d记为C7。那么，S3 u即为S3 c,u、S4 d即为S3 c,d、S2 d即为S3 u,d、S5 u即为S3 d,u、S7 u即为S7 c,u、S7 d即为S7 c,d、S6 d即为S7 u,d、S8 u即为S7 d,u。
设定开关频率为500Hz，死区时间为2×10-6s，那么在一个周期，即10-3s内非保持关断均衡臂动作如图17所示，控制策略如下：
[0s,6.647×10-4s)内所有均衡臂中仅S3 u、S4 d和S8 u导通，其余均衡臂关断。B3和B4为储能电感充电。S8 u虽然导通，但并无电流通过。
[6.647×10-4s,6.667×10-4s)时段所有均衡臂中仅S4 d和S8 u导通，其余均衡臂关断。电感通过S4 d和S8 u为B5至B7充电。
[6.667×10-4s,1.998×10-3s)时段所有均衡臂中仅S4 d、S6 d和S8 u导通，其余均衡臂关断。电感通过S6 d和S8 u为B7充电。S6 d虽然导通，但并无电流通过。
[1.998×10-3s,2×10-3s)时段所有均衡臂中仅S3 u、S4 d、S6 d和S8 u导通，其余均衡臂关断。B3至B6通过S3 u和S6 d为电感充电。S4 d和S8 u虽然导通，但并无电流通过。
由于电池单体电压差异及传感器测量误差，每10个周期对电感电流校正一次，即调整占空比以使每周期末端时刻电感残余电流归零。
场景4)
当电池管理系统监测到电池模块单体B8的电压过高而B2和B3过低，主动均衡电路从电池单体B8向电池单体B2和B3转移电量。电池单体B2和B3、上均衡臂S2 u、下均衡臂S3 d记为C2，电池单体B8、上均衡臂S8 u、下均衡臂S8 d记为C8。那么，S2 u即为S2 c,u、S3 d即为S2 c,d、S1 d即为S2 u,d、S4 u即为S2 d,u、S8 u即为S8 c,u、S8 d即为S8 c,d、S7 d即为S8 u,d、Dd即为S8 d,u。
设定开关频率为500Hz，死区时间为2×10-6s，那么在一个周期，即10-3s内非保持关断均衡臂动作如图18所示，控制策略如下：
[0s,1.331×10-3s)内所有均衡臂中仅S8 u、S8 d和S1 d导通，其余均衡臂关断。B8为储能电感充电。S1 d虽然导通，但并无电流通过。
[1.331×10-3s,1.333×10-3s)时段所有均衡臂中仅S8 u和S1 d导通，其余均衡臂关断。电感通过S8 u和S1 d为B2至B7充电。
[1.333×10-3s 1.998×10-3s)时段所有均衡臂中仅S8 u、S1 d和S4 u导通，其余均衡臂关断。电感通过S1 d和S4 u为B2和B3充电。S8 u虽然导通，但并无电流通过。
[1.998×10-3s,2×10-3s)时段所有均衡臂中仅S8 u、S8 d、S1 d和S4 u导通，其余均衡臂关断。B4至B8通过S4 u和S8 d为电感充电。S1 d和S8 u虽然导通，但并无电流通过。
由于电池单体电压差异及传感器测量误差，每10个周期对电感电流校正一次，即调整占空比以使每周期末端时刻电感残余电流归零。
场景5)
当电池管理系统监测到电池模块单体B3和B4的电压过高而B7和B8过低，主动均衡电路从电池单体B3和B4向电池单体B7和B8转移电量。电池单体B3和B4、上均衡臂S3 u、下均衡臂S4 d记为C3，电池单体B7和B8、上均衡臂S7 u、下均衡臂S8 d记为C7。那么，S3 u即为S3 c,u、S4 d即为S3 c ,d、S2 d即为S3 u,d、S5 u即为S3 d,u、S7 u即为S7 c,u、S8 d即为S7 c,d、S6 d即为S7 u,d、Dd即为S7 d,u。
设定开关频率为500Hz，死区时间为2×10-6s，那么在一个周期，即10-3s内非保持关断均衡臂动作如图19所示，控制策略如下：
[0s,9.98×10-4s)内所有均衡臂中仅S3 u、S4 d和Dd导通，其余均衡臂关断。B3和B4为储能电感充电。Dd虽然导通，但并无电流通过。
[9.98×10-4s,10-3s)时段所有均衡臂中仅S4 d和Dd导通，其余均衡臂关断。电感通过S4 d和Dd为B5至B8充电。
[10-3s,1.998×10-3s)时段所有均衡臂中仅S4 d、S6 d和Dd导通，其余均衡臂关断。电感通过S6 d和Dd为B7和B8充电。S6 d虽然导通，但并无电流通过。
[1.998×10-3s,2×10-3s)时段所有均衡臂中仅S3 u、S4 d、S6 d和Dd导通，其余均衡臂关断。B3至B6通过S3 u和S6 d为电感充电。S4 d和Dd虽然导通，但并无电流通过。
由于电池单体电压差异及传感器测量误差，每10个周期对电感电流校正一次，即调整占空比以使每周期末端时刻电感残余电流归零。
场景6)
当电池管理系统监测到电池模块单体B7和B8的电压过高而B2和B3过低，主动均衡电路从电池单体B7和B8向电池单体B2和B3转移电量。电池单体B2和B3、上均衡臂S2 u、下均衡臂S3 d记为C2，电池单体B7和B8、上均衡臂S7 u、下均衡臂S8 d记为C7。那么，S2 u即为S2 c,u、S3 d即为S2 c ,d、S1 d即为S2 u,d、S4 u即为S2 d,u、S7 u即为S7 c,u、S8 d即为S7 c,d、S6 d即为S8 u,d、Dd即为S8 d,u。
设定开关频率为500Hz，死区时间为2×10-6s，那么在一个周期，即10-3s内非保持关断均衡臂动作如图20所示，控制策略如下：
[0s,9.98×10-4s)内所有均衡臂中仅S7 u、S8 d和S1 d导通，其余均衡臂关断。B7和B8为储能电感充电。S1 d虽然导通，但并无电流通过。
[9.98×10-4s,10-3s)时段所有均衡臂中仅S7 u和S1 d导通，其余均衡臂关断。电感通过S7 u和S1 d为B2至B6充电。
[10-3s,1.998×10-3s)时段所有均衡臂中仅S7 u、S1 d和S4 u导通，其余均衡臂关断。电感通过S1 d和S4 u为B2和B3充电。S7 u虽然导通，但并无电流通过。
[1.998×10-3s,2×10-3s)时段所有均衡臂中仅S7 u、S8 d、S1 d和S4 u导通，其余均衡臂关断。B4至B8通过S4 u和S8 d为电感充电。S1 d和S7 u虽然导通，但并无电流通过。
由于电池单体电压差异及传感器测量误差，每10个周期对电感电流校正一次，即调整占空比以使每周期末端时刻电感残余电流归零。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (12)

1.一种电化学储能系统主动均衡电路，其特征在于，包括两个以上电池单体串联构成的电池串、均衡臂、均衡母线、储能元件，所述均衡臂包括上均衡臂和下均衡臂，所述均衡母线包括正均衡母线和负均衡母线，每个电池单体的正极通过上均衡臂连接至正均衡母线，每个电池单体的负极通过下均衡臂连接至负均衡母线，所述正均衡母线和负均衡母线之间通过所述储能元件连接，所述上均衡臂和下均衡臂均为可控开关。
2.根据权利要求1所述的主动均衡电路，其特征在于，每个均衡臂均包括一个开关管和与其串联的二极管，所述上均衡臂中二极管阴极连接正均衡母线，二极管阳极通过开关管连接电池单体正极；所述下均衡臂中二极管阴极连接电池单体负极，二极管阳极通过开关管连接负均衡母线。
3.根据权利要求1所述的主动均衡电路，其特征在于，每个均衡臂均包括串联对接的两个开关管。
4.根据权利要求1所述的主动均衡电路，其特征在于，所述电池串的串首通过二极管Du连接负均衡母线，其中二极管Du阴极连接串首电池单体正极，二极管Du阳极连接负均衡母线；所述电池串的串尾通过二极管Dd连接正均衡母线，其中二极管Dd阳极连接串尾电池单体负极，二极管Dd阴极连接正均衡母线。
5.根据权利要求1所述的主动均衡电路，其特征在于，所述电池串的串首通过开关管Du连接负均衡母线；所述电池串的串尾通过开关管Dd连接正均衡母线。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的主动均衡电路，其特征在于，所述开关管为含有反并联二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。
7.根据权利要求1-5中的任一项所述的主动均衡电路，其特征在于，所述储能元件为电感。
8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的主动均衡电路的均衡控制方法，其特征在于，所述方法通过控制均衡臂可控开关的导通状态和导通时序，使单体电压较高的一个或多个相连的电池单体通过均衡臂及均衡母线将能量传递给储能元件，储能元件再将能量经由均衡母线及均衡臂将能量传递给单体电压较低的一个或多个相连的电池单体。
9.根据权利要求8所述的均衡控制方法，其特征在于，所述均衡控制方法中以Bi表示第i个电池单体，其上均衡臂记作Si u，下均衡臂记作Si d，Bj表示第j个电池单体，其上均衡臂记作Sj u，下均衡臂记作Sj d，i<j，Bi的负极绝对电压高于或等于Bj的正极，Bi+1为Bi负极相连的电池单体，Bi-1为Bi正极相连的电池单体，Bj+1为Bj负极相连的电池单体，Bj-1为Bj正极相连的电池单体；
当Bi单体电压高于Bj单体电压时，从Bi向Bj传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Si u、Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，Bi通过Si u和Si d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Si d和Sj+1 u及正负均衡母线为Bi+1至Bj电池单体组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Sj-1 d和Sj+1 u为Bj充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Si u、Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bi至Bj-1电池单体组合通过Si u和Sj-1 d及正负均衡母线为储能元件充电；
当Bi单体电压低于Bj单体电压时，从Bj向Bi传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，Bj通过Sj u和Sj d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Sj u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Sj u和Si-1 d及正负均衡母线为Bj-1至Bi电池单体组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Si+1 u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Si-1 d和Si+1 u为Bi充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d、Si-1 d和Si+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bj至Bi+1电池单体组合通过Sj d和Si+1 u及正负均衡母线为储能元件充电。
10.根据权利要求8所述的均衡控制方法，其特征在于，所述均衡控制方法在包含多个电池单体的电池组合与一个电池单体之间传输电量，所述包含多个电池单体的电池组合以Bi表示，该组合首端单体的上均衡臂记作Si u，组合尾端单体的下均衡臂记作Si d，所述一个电池单体以Bj表示，其上均衡臂记作Sj u，下均衡臂记作Sj d，i<j，Bi的尾端负极绝对电压高于或等于Bj的正极绝对电压值，Bi+1为Bi尾端单体负极相连的电池单体，Bi-1为Bi首端单体正极相连的电池单体，Bj+1为Bj负极相连的电池单体，Bj-1为Bj正极相连的电池单体；
当Bi电池组合电压高于Bj单体电压时，从Bi向Bj传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Si u、Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，Bi通过Si u和Si d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Si d和Sj+1 u及正负均衡母线为Bi+1至Bj电池组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Sj-1 d和Sj+1 u为Bj充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Si u、Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bi至Bj-1电池组合通过Si u和Sj-1 d及正负均衡母线为储能元件充电；
当Bi电池电压低于Bj单体电压时，从Bj向Bi传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，Bj通过Sj u和Sj d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Sj u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Sj u和Si-1 d及正负均衡母线为Bj-1至Bi电池组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Si+1 u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Si-1 d和Si+1 u为Bi充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d、Si-1 d和Si+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bj至Bi+1电池组合通过Sj d和Si+1 u及正负均衡母线为储能元件充电。
11.根据权利要求8所述的均衡控制方法，其特征在于，所述均衡控制方法在一个电池单体与包含多个电池单体的电池组合之间传输电量，所述一个电池单体以Bi表示，其上均衡臂记作Si u，下均衡臂记作Si d，所述包含多个电池单体的电池组合以Bj表示，该组合首端单体的上均衡臂记作Sj u，组合尾端单体的下均衡臂记作Sj d，i<j，Bi的负极绝对电压高于或等于Bj的首端正极绝对电压值，Bi+1为Bi负极相连的电池单体，Bi-1为Bi正极相连的电池单体，Bj+1为Bj尾端单体负极相连的电池单体，Bj-1为Bj首端单体正极相连的电池单体；
当Bi单体电压高于Bj电池组合电压时，从Bi向Bj传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Si u、Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，Bi通过Si u和Si d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Si d和Sj+1 u及正负均衡母线为Bi+1至Bj电池组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Sj-1 d和Sj+1 u为Bj充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Si u、Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bi至Bj-1电池组合通过Si u和Sj-1 d及正负均衡母线为储能元件充电；
当Bi单体电压低于Bj电池组合电压时，从Bj向Bi传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，Bj通过Sj u和Sj d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Sj u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Sj u和Si-1 d及正负均衡母线为Bj-1至Bi电池组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Si+1 u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Si-1 d和Si+1 u为Bi充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d、Si-1 d和Si+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bj至Bi+1电池组合通过Sj d和Si+1 u及正负均衡母线为储能元件充电。
12.根据权利要求8所述的均衡控制方法，其特征在于，所述均衡控制方法从包含多个电池单体的电池组合Bi向另一包含多个电池单体的电池组合Bj传输电量，其中Bi组合首端单体的上均衡臂记作Si u，Bi组合尾端单体的下均衡臂记作Si d，Bj组合首端单体的上均衡臂记作Sj u，组合尾端单体的下均衡臂记作Sj d，i<j，Bi的尾端负极绝对电压高于或等于Bj的首端正极绝对电压，Bi+1为Bi尾端单体负极相连的电池单体，Bi-1为Bi首端单体正极相连的电池单体，Bj+1为Bj尾端单体负极相连的电池单体，Bj-1为Bj首端单体正极相连的电池单体；
当Bi电池电压高于Bj电池电压时，从Bi向Bj传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Si u、Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，Bi通过Si u和Si d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Si d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Si d和Sj+1 u及正负均衡母线为Bi+1至Bj电池组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Sj-1 d和Sj+1 u为Bj充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Si u、Si d、Sj-1 d和Sj+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bi至Bj-1电池组合通过Si u和Sj-1 d及正负均衡母线为储能元件充电；
当Bi中的电池电压低于Bj中的电池电压时，从Bj向Bi传输电量以降低二者之间电压差，均衡过程分为如下四个阶段：
[t0,t1)时段为充电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，Bj通过Sj u和Sj d及正负均衡母线向储能元件充电，储能元件中电流增大；
[t1,t2)时段为充电死区，所有均衡臂中仅Sj u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件中续流，并通过Sj u和Si-1 d及正负均衡母线为Bj-1至Bi电池组合充电；
[t2,t3)时段为放电时段，所有均衡臂中仅Sj u、Si+1 u和Si-1 d导通，其余均衡臂关断，储能元件通过正负均衡母线及Si-1 d和Si+1 u为Bi充电，储能元件中电流减小；
[t3,t4)时段为放电死区，所有均衡臂中仅Sj u、Sj d、Si-1 d和Si+1 u导通，其余均衡臂关断，由于电压差，Bj至Bi+1电池组合通过Sj d和Si+1 u及正负均衡母线为储能元件充电。
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