Перспективи використання активного балансування в багатомодульних акумуляторних батареях
In modern batteries, particularly those used in electric vehicles, one of the key factors determining efficiency, reliability, and durability is the imbalance of charge levels (state of charge, SoC) between cells. This imbalance arises due to technological heterogeneity of cells, differences in inte...
Saved in:
| Date: | 2025 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2025
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.3-4.47 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Technology and design in electronic equipment |
| Download file: |  |
Institution
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1867750867274301440 |
|---|---|
| author | Lipko, Dmytro Naidonov, Arsenii Kozhushko, Yuliia Bondarenko, Yuliia Safronov, Pavlo Bondarenko, Oleksandr |
| author_facet | Lipko, Dmytro Naidonov, Arsenii Kozhushko, Yuliia Bondarenko, Yuliia Safronov, Pavlo Bondarenko, Oleksandr |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Dmytro Lipko",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine"
},
{
"author": "Arsenii Naidonov",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine"
},
{
"author": "Yuliia Kozhushko",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine"
},
{
"author": "Yuliia Bondarenko",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine"
},
{
"author": "Pavlo Safronov",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine"
},
{
"author": "Oleksandr Bondarenko",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Lipko, Dmytro |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-11T12:18:13Z |
| description | In modern batteries, particularly those used in electric vehicles, one of the key factors determining efficiency, reliability, and durability is the imbalance of charge levels (state of charge, SoC) between cells. This imbalance arises due to technological heterogeneity of cells, differences in internal resistance, degradation levels (state of health, SoH), temperature gradients, measurement errors in control channels, and unequal cooling conditions. The imbalance leads to reduced usable capacity, increased thermal loads, and uneven current distribution during charging and discharging, which ultimately lowers efficiency and shortens battery lifetime. Previous studies highlight the potential of active balancing to mitigate charge-level imbalance in multi‑module batteries. The aim of this work is to experimentally verify the effectiveness of active balancing, determine its impact on imbalance levels and energy efficiency indicators of multi‑module lithium‑ion batteries, and formulate practical recommendations for the use of active balancers in electric transport systems. The study showed that applying an active balancer to a module with degraded cells reduced the maximum imbalance from 220 mV to 45 mV, increased usable capacity from 33 Ah to 43 Ah, improved the estimated SoH from 69% to 81%, and extended the real driving range of the electric vehicle by 56% (from 82 km to 128 km when discharged from 100% to 10% SoC). The experimental data confirm that local active balancing is an effective and economically feasible approach to restoring usable capacity, improving energy efficiency, and extending the service life of traction batteries without requiring full‑scale balancing of all modules. This approach is promising for practical implementation in electric transport systems and stationary energy storage, particularly for operational restoration of batteries with heterogeneous degradation levels. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2025.3-4.47 |
| first_indexed | 2026-02-08T08:11:00Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 4 47ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
1
ЕНЕРГЕТИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА
УДК 621.355:621.311.61
Дмитро ЛІПКО, Арсеній НАЙДЬОНОВ, Юлія КОЖУШКО,
Юлія БОНДАРЕНКО, Павло САФРОНОВ, Олександр БОНДАРЕНКО
Україна, м. Київ, КПІ ім. Ігоря Сікорського
E-mail: bondarenkoaf@gmail.com
ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ АКТИВНОГО
БАЛАНСУВАННЯ В БАГАТОМОДУЛЬНИХ
АКУМУЛЯТОРНИХ БАТАРЕЯХ
В сучасних акумуляторних батареях (АБ), зо-
крема в електромобілях, проблема дисбалансу рів-
нів заряду (англ. state of charge, SоC) між комірками
батареї є одним із ключових факторів, що визнача-
ють ефективність, надійність та довговічність систе-
ми. Дисбаланс виникає внаслідок технологічної нео-
днорідності елементів, відмінностей у внутрішньому
опорі, рівнях деградації (state of health, SоH) і темпе-
ратурних градієнтах, похибок вимірювальних кана-
лів у системах керування, неоднакових умов охоло-
дження [1], [2], [3], [4]. Такі відмінності призводять
до зменшення корисної ємності АБ, підвищення те-
плових навантажень і нерівномірного розподілу стру-
му під час заряджання та розряджання, що у підсум-
ку знижує ефективність та термін служби батареї [5].
Особливої актуальності набувають дослідження
методів балансування для батарей електромобілів, у
яких високий рівень енергетичної щільності поєдну-
ється з жорсткими вимогами до безпеки та надійно сті
[6]. У роботі [7] показано, що використання частко-
вого зарядно-розрядного циклу дозволяє збільшити
ресурс акумуляторної батареї завдяки обмеженню
рівнів заряду комірок. Дослідження [7], [8] також за-
свідчили, що навіть незначний дисбаланс напруги у
багатомодульній батареї може спричиняти передчас-
ну деградацію окремих елементів.
Значна увага в сучасних публікаціях приділяєть-
ся порівнянню пасивних і активних систем балан-
сування [9]. Пасивні схеми є конструктивно прости-
ми та дешевими, однак характеризуються велики-
ми втратами енергії, низьким коефіцієнтом корис-
ної дії (ККД) та обмеженим струмом балансування
[10]. Активні методи передбачають передачу енергії
Досліджено вплив дисбалансу комірок на ефективність багатомодульних літій-іонних акумуляторних батарей.
Дисбаланс призводить до суттєвого зниження корисної ємності батареї та запасу ходу електромобілів. Експеримент
показав, що застосування активного балансира на модулі з комірками зі зниженим ресурсом дозволило зменшити
максимальний дисбаланс з 220 до 45 мВ, що призвело до збільшення реального запасу ходу електромобіля на 56%.
Результати підтверджують високу ефективність активного балансування як засобу відновлення корисної ємності
та подовження життєвого циклу акумуляторних батарей в електротранспорті та системах накопичення енергії.
Ключові слова: акумуляторна батарея, система керування акумуляторною батареєю, активне балансування, дисба-
ланс, електромобіль, запас ходу, ресурс.
між комірками та модулями за допомогою DC–DC-
перетворювачів або індуктивно-ємнісних ланок, що
дозволяє суттєво підвищити енергоефективність [11].
В роботах [12], [13] представлено активний балансир
для багатомодульних батарей, який забезпечує керо-
вану передачу енергії між комірками, а також проа-
налізовано його роботу в умовах реальної експлуа-
тації в електротранспорті.
Попередні дослідження вказують на перспектив-
ність застосування активного балансування для під-
вищення однорідності стану заряду, зменшення те-
плових втрат і збільшення строку служби акумуля-
торних систем [14], [15]. Разом з тим, такі системи
потребують ускладнених алгоритмів керування, галь-
ванічної розв’язки між ланками перетворення енергії
та точних вимірювальних засобів, що впливає на со-
бівартість і загальну надійність системи [15].
Метою цієї роботи є експериментальна пере-
вірка ефективності активного балансування в ба-
гатомодульних акумуляторних батареях, визначен-
ня його впливу на рівень дисбалансу та показники
енерго ефективності, а також формування практич-
них рекомендацій щодо застосування активних ба-
лансирів у системах електротранспорту.
Огляд систем балансування
Для розуміння масштабу проблеми балансування
в потужних системах, що живляться від акумулятор-
них батарей, необхідно мати уяву про їхню структуру.
Сучасні тягові батареї електромобілів та системи на-
копичення енергії мають ієрархічну архітектуру [16].
Базовим елементом є комірка — окремий акумуля-
тор. Комірки з’єднуються послідовно та паралельно
DOI: 10.15222/TKEA2025.3-4.??DOI: 10.15222/TKEA2025.3-4.47
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 448 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
2
ЕНЕРГЕТИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА
для досягнення необхідної напруги та ємності, фор-
муючи модуль. Далі модулі з’єднуються між собою,
утворюючи пакет. Така багатомодульна архітектура
означає, що дисбаланси можуть виникати одночас-
но на двох рівнях: внутрішньомодульному (між ко-
мірками всередині одного модуля) та міжмодульно-
му (між окремими модулями в пакеті) [17]. Зі збіль-
шенням кількості комірок у послідовному з’єднанні
проблема дисбалансу зростає, тому для багатомо-
дульних батарей балансування стає обов’язковим
етапом керування.
Пасивні системи балансування працюють за прин-
ципом розсіювання надлишкової енергії через рези-
стивні елементи, перетворюючи надлишковий заряд
комірок з вищою напругою у тепло [18]. Їхньою осно-
вною перевагою є простота реалізації, низька вартість
та висока надійність завдяки мінімальній кількості
компонентів. Водночас головними недоліками є зна-
чні енергетичні втрати, локальне нагрівання комірок
і тривалий час балансування, що робить такі схеми
доцільними лише для систем із малими ємностями
або низькими вимогами до ефективності.
Активне балансування базується на обміні енер-
гією між комірками або модулями за допомогою пе-
ретворювальних ланок [19]. На відміну від пасивних,
активні схеми дозволяють зменшити втрати енергії та
підвищити ефективність використання акумулятор-
ної батареї, досягаючи ККД у 80 – 97% [20]. За архі-
тектурою активні системи класифікують відповідно
до шляху передачі енергії: від комірки до комірки
(Cell-to-Cell, C2C), від комірки до модуля (Cell-to-
Module, C2M), від модуля до комірки (Module-to-Cell,
M2C). При цьому C2C розділяється на два підтипи:
до будь-якої комірки (Cell-to-Any-Cell, C2AС) та до
сусідньої комірки (Cell-to-Neighbor-Cell, С2NC).
Аналіз схемотехнічних рішень дозволяє виділи-
ти три ключові підходи при реалізації активного ба-
лансування. Найпростішим з них є конденсаторне ба-
лансування (switched-capacitor), де заряд передаєть-
ся через конденсатори, що почергово перемикають-
ся [21]. Цей спосіб балансування є найменш енер-
гоефективним і забезпечує ККД на рівні 80–90%.
Індуктивне балансування (flying-inductor), за якого
одна індуктивність почергово під’єднується до різ-
них комірок для перенесення енергії від більш заря-
джених до менш заряджених, забезпечує вищу ефек-
тивність (85 – 95%) та більші струми [22]. Схеми на
основі DC–DC-перетворювачів, які можуть бути не-
ізольованими (buck, boost) або ізольованими (flyback,
Ćuk), забезпечують найвищий ККД (90 – 97%) та зна-
чні струми балансування, що дозволяє реалізувати
топології C2М, M2C та C2С.
Критичним недоліком конденсаторних та індук-
тивних схем в контексті багатомодульних батарей є
можливість реалізації ними переважно тільки методу
балансування С2NC. При значному дисбалансі в дов-
гому послідовному з’єднанні акумуляторних елемен-
тів (наприклад, 96 і більше) енергії доведеться пройти
десятки проміжних перемикань, що каскадно знижує
загальну швидкість та сумарну ефективність процесу.
Натомість топології на базі DC–DC-перетворювачів,
що реалізують принцип балансування C2AС, є значно
ефективнішими. Вони дозволяють передавати енер-
гію безпосередньо від найбільш заряджених комірок
до найменш заряджених, що є ключовою перевагою
для потужних тягових батарей електромобілів та ста-
ціонарних систем накопичення енергії.
Огляд систем балансування демонструє, що актив-
ні методи пропонують ефективне розв’язання пробле-
ми дисбалансу [23], яка є критичною для надійної та
продуктивної роботи акумуляторних батарей, особли-
во у багатомодульних конфігураціях [24]. При цьо-
му розвиток систем на базі DC–DC-перетворювачів
можна розглядати як найперспективніший на сьогод-
ні напрям для забезпечення довготривалої експлуа-
тації багатомодульних акумуляторних батарей [25].
Опис експериментальної установки
Для перевірки ефективності активного балансу-
вання в багатомодульних акумуляторних батареях,
визначення його впливу на рівень дисбалансу та по-
казники енергоефективності було створено експери-
ментальну установку на основі електромобіля Renault
Fluence ZE 2012 року випуску, що мав акумулятор-
ну батарею з низьким запасом ходу. Особливістю мо-
делі є модульна конструкція батарейного відсіку, що
спрощує доступ до окремих модулів АБ і їх заміну.
Заводська батарея була замінена на літій-іонну
систему LG Chem конфігурації 96s6p (96 послідовно
та 6 паралельно з’єднаних комірок), яка складаєть-
ся з 576 комірок, об’єднаних у 16 модулів конфігура-
ції 12s3p. До неї було додано систему керування аку-
муляторною батареєю — BMS (battery management
system), виконану за ієрархічною архітектурою. Вона
містить п’ять модулів: один центральний контролер
BMS (BMS master unit), до якого підключено чоти-
ри підпорядковані модулі моніторингу комірок (BMS
slave unit), що контролюють батарейний стек з 24 по-
слідовно з’єднаних комірок (24s) (рис. 1).
На першому етапі проводилася діагностика АБ.
До діагностичного порту OBD-2 електромобіля
під’єднували діагностичний пристрій ELM327 та
програмне забезпечення CanZE, що дозволило спо-
стерігати стан АБ і виявити причину стрімкого зни-
ження запасу ходу порівняно із запасом ходу на по-
чатку її експлуатації. Діагностика показала наявність
дисбалансу.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 4 49ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
3
ЕНЕРГЕТИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА
Рис. 2. Дані з CAN-шини електромобіля Renault Fluence ZE в програмному забезпеченні SavvyCAN
Щоб отримувати та зберігати для подальшого
аналізу дані з АБ електромобіля в режимі реально-
го часу, було створено CAN-аналізатор на базі мі-
кроконтролера ESP32 з трансивером SN65HVD230
та LIN ATA6662, який підключався до порту OBD-2
електромобіля [26].
Отримані від CAN-аналізатора дані виводились
на ПК за допомогою програмного забезпечення
SavvyCAN. Через відсутність у відкритому доступі
протоколу обміну даними необхідні параметри АБ
визначалися шляхом власного аналізу повідомлень
CAN-шини. Після цього було створено файл з роз-
Рис. 1. Схема акумуляторної батареї досліджуваного електромобіля
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 450 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
4
ЕНЕРГЕТИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА
ширенням .dbc, який автоматизує процес декодуван-
ня даних з CAN-шини у фізичні величини (рис. 2).
Отже, для наступних досліджень було розро-
блено експериментальну установку та програмно-
апаратний комплекс, що дозволяють у режимі реаль-
ного часу отримувати та записувати швидкість руху
електромобіля, параметри SoC, SoH, напругу кожної
комірки, напругу та струм АБ, а також її температуру.
Експериментальні дослідження та обговорення
отриманих результатів
Первинна діагностика АБ виявила наявність знач-
но го дисбалансу напруги, який сягав 220 мВ, що об-
межує доступну корисну ємність системи та суттє-
во знижує запас ходу.
Для дослідження впливу дисбалансу на АБ було
проведено два експерименти. У першому заряджа-
ли батарею до рівня SoC 100% та виконували тес-
тувальну поїздку до досягнення SoC 10%. Другий
ек сперимент проводився так само, але зі встановле-
ним активним балансиром, що усував дисбаланс ко-
мірок АБ. Оскільки ідеальної повторюваності про-
філю руху досягти неможливо, поїздки відбувалися
в дорожніх умовах міського руху, які можна вважати
подібними. Щоб мінімізувати фактор рельєфу місце-
вості, маршрут закінчувався у тій точці, де починав-
ся. На початку та наприкінці експериментів запису-
вали мапу напруги комірок. На рис. 3 представлено
таку мапу, отриману під час першого експеримен-
ту. Для візуалізації отриманих даних комірки зобра-
жувалися у різних відтінках залежно від рівня заря-
ду. Три комірки, які мають найнижчий SoC, що ство-
рює основний дисбаланс, обведені прямокутником.
Перед проведенням другого експерименту АБ
заряджали до рівня SоC 100%, після чого встанов-
Рис. 3. Мапа комірок зарядженої (ліворуч) та розрядженої (праворуч) батареї без активного балансира
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 4 51ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
5
ЕНЕРГЕТИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА
Рис. 4. Мапа комірок зарядженої (ліворуч) та розрядженої (праворуч) батареї з активним балансиром
лювали активний балансир на 12 комірок модуля,
який містив три комірки з найнижчим рівнем за-
ряду. Застосування активного балансира протягом
24 годин забезпечило зниження цього дисбалансу до
45 мВ (рис. 4). Після цього було зроблено другу тес-
тувальну поїздку.
На основі записаних у цих двох експериментах
масивів даних були сформовані часові залежності
основних експлуатаційних параметрів: швидкість
руху, пройдений шлях, SoC, напруга та струм батареї
(рис. 5). Це дозволило провести комплексний аналіз
параметрів АБ у змінних режимах руху.
Графік SoC демонструє стабільну тенденцію до
зниження рівня заряду: протягом експерименту він
зменшився зі 100 до 10%, що дозволяє оцінити ре-
альний запас ходу транспортного засобу за заданих
умов. Крива SoC має мікроскопічні флуктуації, зу-
мовлені чергуванням циклів розряду та рекупера-
тивного підзаряду під час гальмування.
Аналіз миттєвих значень струму та напруги АБ
підтверджує високу динамічність навантаження в
умовах міського трафіку. Спостерігається чітка ко-
реляція між величиною прискорення та стрибками
споживання струму, які супроводжуються відповід-
ним падінням напруги через внутрішній опір АБ.
У таблиці наведено загальні результати, отрима-
ні в тестувальних поїздках без активного балансира
та з ним. Як видно, внаслідок усунення дисбалансу
показник SoH збільшився з 69 до 81%, що свідчить
про відновлення доступу до значної частини раніше
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 452 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
6
ЕНЕРГЕТИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА
Рис. 5. Графіки зміни параметрів під час тестувальних поїздок
0 1000 2000 3000 4000 5000
Час, с
80
60
40
20
0Д
ис
та
нц
ія
, к
м
75
60
45
30
15
0
Ш
ви
дк
іс
ть
, к
м/
го
д
100
0
–100
–200
Ст
ру
м,
А
400
375
350
325Н
ап
ру
га
, В
120
80
40
0
So
H
, %
І тестова поїздка (без балансира)
0 1000 2000 3000 4000 5000
Час, с
125
100
75
50
25
0Д
ис
та
нц
ія
, к
м
75
50
25
0Ш
ви
дк
іс
ть
, к
м/
го
д
100
0
–100
–200
Ст
ру
м,
А
400
375
350
325
300
Н
ап
ру
га
, В
100
75
50
25
0
So
H
, %
ІІ тестова поїздка (з балансиром)
Тестувальна
поїздка
Пройдений
шлях,
км
Загальна
ємність,
А·год
Максимальний
дисбаланс,
мВ
SoH,
%
Середнє
споживання,
кВт·год / 100 км
Внутрішній
опір АБ,
мОм
І 82 33 220 69
16,3 121
ІІ 128 43 45 81
Загальні результати, отримані в тестувальних поїздках без активного балансира та з ним
невикористовуваної ємності. Найбільш показовим
результатом стало зростання пройденого шляху на
одному заряді (зменшення SoC від 100 до 10%) з 82 до
128 км, що забезпечило приріст запасу ходу на 56%.
Висновки
У результаті проведеного експериментального до-
слідження підтверджено суттєвий вплив дисбалансу
напруги між комірками на енергетичну ефективність
і доступну ємність багатомодульної літій-іонної аку-
муляторної батареї електромобіля. Встановлено, що
локальне застосування активного балансира лише
на одному модулі, що містить комірки з найниж-
чим рівнем заряду, є ефективним засобом зменшен-
ня загального дисбалансу всієї батарейної системи.
Використання активного балансира впродовж 24 го-
дин після заряджання батареї до рівня SoC = 100%
дозволило знизити максимальний дисбаланс напруги
з 220 до 45 мВ, тобто більш, ніж у 4,8 рази.
Отримані результати підтверджують наявність
прямої кореляції між величиною дисбалансу та до-
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 4 53ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
7
ЕНЕРГЕТИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА
ступною ємністю акумуляторної батареї. Зменшення
дисбалансу призвело до зростання ефективно вико-
ристовуваної ємності з 33 до 43 А·год, а також до
збільшення оціненого показника SoH з 69 до 81%,
що свідчить про відновлення доступу до раніше не-
доступної частини енергетичного ресурсу батареї.
Найбільш наочним практичним результатом ста-
ло зростання реального запасу ходу електромобі-
ля в міському циклі руху з 82 до 128 км при розря-
дженні батареї зі 100 до 10%, що відповідає прирос-
ту SoH на 56%. Це свідчить про те, що навіть вибір-
ковий вплив лише на найбільш деградовані або кри-
тичні комірки може суттєво покращити інтегральні
експлуатаційні характери стики всієї багатомодуль-
ної акумуляторної системи.
Отримані експериментальні дані дозволяють зро-
бити висновок, що локальне активне балансування є
ефективним та економічно доцільним підходом для
відновлення корисної ємності, підвищення енерго-
ефективності та збільшення терміну служби тяго-
вих акумуляторних батарей без необхідності повно-
масштабного балансування всіх модулів. Такий під-
хід є перспективним для практичного впровадження
в системах електротранспорту та стаціонарних систе-
мах накопичення енергії, особливо на етапі експлуа-
таційного відновлення батарей з неоднорідним сту-
пенем деградації.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Hemavathi S. Overview of cell balancing methods for Li-ion battery
technology. Energy Storage. 2021, vol. 3, e203. https://doi.org/10.1002/
est2.203
2. Omariba Z.B., Zhang L., Sun D. Review of Battery Cell Balancing
Methodologies for Optimizing Battery Pack Performance in Electric
Vehicles. IEEE Access. 2019, vol. 7, pp. 129335–129352. https://doi.
org/10.1109/ACCESS.2019.2940090
3. Liu X., Li W., Guo X. et al. Advancements in Energy-Storage
Technologies: A Review of Current Developments and Applications.
Sustainability. 2025, vol. 17, no. 18, 8316. https://doi.org/10.3390/
su17188316
4. Li S., Zhang C., Zhao Y. et al. Effect of thermal gradients on
inhomogeneous degradation in lithium-ion batteries. Communications
Engineering. 2023, vol. 2, 74. https://doi.org/10.1038/s44172-023-00124-w
5. Ashraf A., Ali B., Al Sunjury M.S.A., Tricoli P. A Comprehensive
Review of the Art of Cell Balancing Techniques and Trade-Offs in Battery
Management Systems. Energies. 2025, vol. 18, no. 13, 3321. https://doi.
org/10.3390/en18133321
6. Fraccaroli E., Jang S., Stach L. et al. To Balance or to Not? Battery
Aging-Aware Active Cell Balancing for Electric Vehicles. arXiv. Jan. 2024.
Режим доступу: https://doi.org/10.48550/arXiv.2401.03124
7. Бондаренко О., Ліпко Д. Використання часткового зарядно-
розрядного циклу акумуляторної батареї для збільшення її ресурсу.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі. 2023, № 3–4,
с. 9–15. https://doi.org/10.15222/TKEA2023.3-4.09
8. Бондаренко О., Ліпко Д. Модифікований активний балансир для
застосування в багатомодульних акумуляторних батареях. Технологія
та конструювання в електронній апаратурі. 2024, № 1–2, с. 11–23.
https://doi.org/10.15222/TKEA2024.1-2.11
9. Khan N., Ooi C.A., Alturki A. et al. A critical review of battery
cell balancing techniques, optimal design, converter topologies, and
performance evaluation for optimizing storage system in electric vehicles.
Energy Reports. 2024, vol. 11, pp. 4999–5032. https://doi.org/10.1016/j.
egyr.2024.04.041
10. Ліпко Д.О., Бондаренко О.Ф. Розробка DC-DC перетворюва-
ча для використання в системах активного балансування акумуля-
торних батарей в межах студентських змагань. Мікросистеми, елек-
троніка та акустика. 2024, вип. 3, с. 316127.1–316127.8. https://doi.
org/10.20535/2523-4455.mea.316127
11. Lipko D., Bondarenko O. Modified Active Balancer for Multi-
Module Battery Pack. Proc. 19th Biennial Baltic Electronics Conference
(BEC). Tallinn, Estonia, 2024, pp. 1–5. https://doi.org/10.1109/
BEC61458.2024.10737985
12. Cao J., Xia B., Zhou J. An Active Equalization Method for
Lithium-ion Batteries Based on Flyback Transformer and Variable Step
Size Generalized Predictive Control. Energies. 2021, vol. 14, no. 1, 207.
https://doi.org/10.3390/en14010207
13. Farzan Moghaddam A., Van den Bossche A. An Efficient
Equalizing Method for Lithium-Ion Batteries Based on Coupled Inductor
Balancing. Electronics. 2019, vol. 8, no. 2, 136. https://doi.org/10.3390/
electronics8020136
14. Gao Z.C., Chin C.S., Toh W.D. et al. State-of-Charge Estimation
and Active Cell Pack Balancing Design of Lithium Battery Power System
for Smart Electric Vehicle. Journal of Advanced Transportation. 2017,
Article ID 6510747, 14 p. https://doi.org/10.1155/2017/6510747
15. Narayanaswamy S., Kauer M., Steinhorst S., et al. Modular Active
Charge Balancing for Scalable Battery Packs. IEEE Transactions on Very
Large Scale Integration (VLSI) Systems. 2017, vol. 25, no. 3, pp. 974–987.
https://doi.org/10.1109/TVLSI.2016.2611526
16. Li L., Li Z., Zhao J., Guo W. Lithium-ion battery management
system for electric vehicles. International Journal of Performability
Engineering. 2018, vol. 14, no. 12, pp. 3184–3194. https://doi.
org/10.23940/ijpe.18.12.p28.31843194
17. Lee D., Kang S., Shin C.B. Modeling the Effect of Cell Variation
on the Performance of a Lithium-Ion Battery Module. Energies. 2022,
vol. 15, no. 21, 8054. https://doi.org/10.3390/en15218054
18. Babu P.S., Ilango K. Comparative Analysis of Passive and Active
Cell Balancing of Li Ion Batteries. Proc. 3rd Int. Conf. Intelligent Computing
Instrumentation and Control Technologies (ICICICT). Kannur, India, 2022,
pp. 711–716. https://doi.org/10.1109/ICICICT54557.2022.9917778
19. Jiang W., Zhou F. Active Battery Balancing System for High
Capacity Li-Ion Cells. Energies. 2025, vol. 18, no. 23, 6371. https://doi.
org/10.3390/en18236371
20. Wei C., Li X. Review of Bidirectional DC-DC Converters for
Electric Vehicle Energy Management Systems. Proc. 7th Int. Conf. Smart
Grid and Smart Cities (ICSGSC). Lanzhou, China, 2023, pp. 432–436.
https://doi.org/10.1109/ICSGSC59580.2023.10319186
21. Farzan Moghaddam A., Van den Bossche A. A Ćuk Converter
Cell Balancing Technique by Using Coupled Inductors for Lithium-Based
Batteries. Energies. 2019, vol. 12, no. 15, 2881. https://doi.org/10.3390/
en12152881
22. Chandran V., Patil C.K., Karthick A. et al. State of Charge
Estimation of Lithium-Ion Battery for Electric Vehicles Using Machine
Learning Algorithms. World Electric Vehicle Journal. 2021, vol. 12, no. 1,
38. https://doi.org/10.3390/wevj12010038
23. Wu H., Zhao H., Yang J. et al. Battery Active Grouping and
Balancing Based on the Optimal Energy Transfer Direction. Sustainability.
2025, vol. 17, no. 11, 5219. https://doi.org/10.3390/su17115219
24. Dorronsoro X., Garayalde E., Iraola U., Aizpurua M. Modular
battery energy storage system design factors analysis to improve battery-
pack reliability. Journal of Energy Storage, 2022, vol. 54, 105256. https://
doi.org/10.1016/j.est.2022.105256
25. Tuluhong A., Xu Z., Chang Q., Song T. Recent Developments
in Bidirectional DC-DC Converter Topologies, Control Strategies, and
Applications in Photovoltaic Power Generation Systems: A Comparative
Review and Analysis. Electronics, 2025, vol. 14, iss. 2, 389. https://doi.
org/10.3390/electronics14020389.
26. Ліпко Д.О. Прилад для контролю параметрів акумуляторної
батареї : магістерська дис. Київ, 2020. 77 с. URI: https://ela.kpi.ua/
handle/123456789/38755
Дата надходження рукопису
до редакції 27.10 2025 р.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 454 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
8
ЕНЕРГЕТИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА
Dmytro LIPKO, Arsenii NAIDONOV,
Yuliia KOZHUSHKO, Yuliia BONDARENKO,
Pavlo SAFRONOV, Oleksandr BONDARENKO
Ukraine, Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
E-mail: bondarenkoaf@gmail.com
APPLICATION PROSPECTS OF ACTIVE BALANCING
IN MULTI-MODULE BATTERY PACKS
In modern batteries, particularly those used in electric vehicles, one of the key factors determining efficiency, reliability, and
durability is the imbalance of charge levels (state of charge, SoC) between cells. This imbalance arises due to technological
heterogeneity of cells, differences in internal resistance, degradation levels (state of health, SoH), temperature gradients,
measurement errors in control channels, and unequal cooling conditions. The imbalance leads to reduced usable capacity,
increased thermal loads, and uneven current distribution during charging and discharging, which ultimately lowers efficiency
and shortens battery lifetime. Previous studies highlight the potential of active balancing to mitigate charge-level imbalance
in multi-module batteries.
The aim of this work is to experimentally verify the effectiveness of active balancing, determine its impact on imbalance levels
and energy efficiency indicators of multi-module lithium-ion batteries, and formulate practical recommendations for the use of
active balancers in electric transport systems. The study showed that applying an active balancer to a module with degraded
cells reduced the maximum imbalance from 220 mV to 45 mV, increased usable capacity from 33 Ah to 43 Ah, improved the
estimated SoH from 69% to 81%, and extended the real driving range of the electric vehicle by 56% (from 82 km to 128 km
when discharged from 100% to 10% SoC).
The experimental data confirm that local active balancing is an effective and economically feasible approach to restoring
usable capacity, improving energy efficiency, and extending the service life of traction batteries without requiring full-scale
balancing of all modules. This approach is promising for practical implementation in electric transport systems and stationary
energy storage, particularly for operational restoration of batteries with heterogeneous degradation levels.
Keywords: battery, battery management system (BMS), active balancing, imbalance, electric vehicle (EV), driving range,
lifetime.
REFERENCES
[1] H. S. Hemavathi, “Overview of cell balancing methods for
Li-ion battery technology,” Energy Storage, vol. 3, p. e203, 2021,
doi: 10.1002/est2.203.
[2] Z. B. Omariba, L. Zhang, and D. Sun, “Review of Battery Cell
Balancing Methodologies for Optimizing Battery Pack Performance
in Electric Vehicles,” IEEE Access, vol. 7, pp. 129335–129352, 2019,
doi: 10.1109/ACCESS.2019.2940090.
[3] X. Liu, W. Li, X. Guo, B. Su, S. Guo, Y. Jing, and X. Zhang,
“Advancements in Energy-Storage Technologies: A Review of Current
Developments and Applications,” Sustainability, vol. 17, no. 18,
Art. no. 8316, 2025, doi: 10.3390/su17188316.
[4] S. Li, C. Zhang, Y. Zhao, Y. Liu, Z. Chen, Y. Chen, et al., “Effect
of thermal gradients on inhomogeneous degradation in lithium-ion
batteries,” Communications Engineering, vol. 2, p. 74, 2023, doi:
10.1038/s44172-023-00124-w.
[5] A. Ashraf, B. Ali, M. S. A. Al Sunjury, and P. Tricoli,
“A Comprehensive Review of the Art of Cell Balancing Techniques
and Trade-Offs in Battery Management Systems,” Energies, vol. 18,
no. 13, p. 3321, 2025, doi: 10.3390/en18133321.
[6] E. Fraccaroli, S. Jang, L. Stach, et al., “To Balance or to Not?
Battery Aging-Aware Active Cell Balancing for Electric Vehicles,”
arXiv preprint arXiv:2401.03124, Jan. 2024, doi: 10.48550/
arXiv.2401.03124.
[7] O. Bondarenko, and D. Lipko, “Using partial charge-discharge
cycle of battery to increase its lifespan,” Technology and Design
in Electronic Equipment, no. 3–4, pp. 9–15, 2023, doi: 10.15222/
TKEA2023.3-4.09.
[8] O. Bondarenko, and D. Lipko, “Modified active balancer for
use in multi-module batteries,” Technology and Design in Electronic
Equipment, no. 1–2, pp. 11–23, 2024, doi: 10.15222/TKEA2024.1-
2.11.
[9] N. Khan, C. A. Ooi, A. Alturki, M. Amir, Shreasth, and
T. Alharbi, “A critical review of battery cell balancing techniques,
optimal design, converter topologies and performance evaluation
for optimizing storage system in electric vehicles,” Energy Reports,
vol. 11, pp. 4999–5032, 2024, doi: 10.1016/j.egyr.2024.04.041.
[10] D. Lipko, and O. Bondarenko, “Development of a DC-DC
Converter for Active Battery Balancing Systems in a Format of
Student Competition,” Microsystems, Electronics and Acoustics,
pp. 316127.1–316127.8, Dec. 2024, doi: 10.20535/2523-4455.
mea.316127.
[11] D. Lipko, and O. Bondarenko, “Modified Active Balancer
for Multi-Module Battery Pack,” in Proc. 19th Biennial Baltic
Electronics Conf. (BEC), Tallinn, Estonia, 2024, pp. 1–5, doi: 10.1109/
BEC61458.2024.10737985.
[12] J. Cao, B. Xia, and J. Zhou, “An Active Equalization Method
for Lithium-ion Batteries Based on Flyback Transformer and Variable
DOI: 10.15222/TKEA2025.3-4.??
UDC 621.355:621.311.61
DOI: 10.15222/TKEA2025.3-4.47
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 3 – 4 55ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
9
ЕНЕРГЕТИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА
Step Size Generalized Predictive Control,” Energies, vol. 14, no. 1,
p. 207, 2021, doi: 10.3390/en14010207.
[13] A. Farzan Moghaddam, and A. Van den Bossche, “An
Efficient Equalizing Method for Lithium-Ion Batteries Based on
Coupled Inductor Balancing,” Electronics, vol. 8, no. 2, p. 136, 2019,
doi: 10.3390/electronics8020136.
[14] Z. C. Gao, C. S. Chin, W. D. Toh, J. Chiew, and J. Jia, “State-
of-Charge Estimation and Active Cell Pack Balancing Design of
Lithium Battery Power System for Smart Electric Vehicle,” Journal
of Advanced Transportation, Art. no. 6510747, 14 p., 2017, doi:
10.1155/2017/6510747.
[15] S. Narayanaswamy, M. Kauer, S. Steinhorst, M. Lukasiewycz,
and S. Chakraborty, “Modular Active Charge Balancing for Scalable
Battery Packs,” IEEE Transactions on Very Large Scale Integration
(VLSI) Systems, vol. 25, no. 3, pp. 974–987, Mar. 2017, doi: 10.1109/
TVLSI.2016.2611526.
[16] L. Li, Z. Li, J. Zhao, and W. Guo, “Lithium-ion battery
management system for electric vehicles,” International Journal of
Performability Engineering, vol. 14, no. 12, pp. 3184–3194, 2018,
doi: 10.23940/ijpe.18.12.p28.31843194.
[17] D. Lee, S. Kang, and C. B. Shin, “Modeling the Effect of
Cell Variation on the Performance of a Lithium-Ion Battery Module,”
Energies, vol. 15, no. 21, p. 8054, 2022, doi: 10.3390/en15218054.
[18] P. S. Babu, and K. Ilango, “Comparative Analysis of Passive
and Active Cell Balancing of Li Ion Batteries,” in Proc. 3rd Int. Conf.
Intelligent Computing Instrumentation and Control Technologies
(ICICICT), Kannur, India, 2022, pp. 711–716, doi: 10.1109/
ICICICT54557.2022.9917778.
[19] W. Jiang, and F. Zhou, “Active Battery Balancing System for
High Capacity Li-Ion Cells,” Energies, vol. 18, no. 23, p. 6371, 2025,
doi: 10.3390/en18236371.
[20] C. Wei, and X. Li, “Review of Bidirectional DC-DC
Converters for Electric Vehicle Energy Management Systems,” in Proc.
7th Int. Conf. Smart Grid and Smart Cities (ICSGSC), Lanzhou, China,
2023, pp. 432–436, doi: 10.1109/ICSGSC59580.2023.10319186.
[21] A. Farzan Moghaddam, and A. Van den Bossche, “A Ćuk
Converter Cell Balancing Technique by Using Coupled Inductors for
Lithium-Based Batteries,” Energies, vol. 12, no. 15, p. 2881, 2019,
doi: 10.3390/en12152881.
[22] V. Chandran, C. K. Patil, A. Karthick, D. Ganeshaperumal,
R. Rahim, and A. Ghosh, “State of Charge Estimation of Lithium-Ion
Battery for Electric Vehicles Using Machine Learning Algorithms,”
World Electric Vehicle Journal, vol. 12, no. 1, p. 38, 2021, doi: 10.3390/
wevj12010038.
[23] H. Wu, H. Zhao, J. Yang, D. Qin, and J. Chen, “Battery
Active Grouping and Balancing Based on the Optimal Energy Transfer
Direction,” Sustainability, vol. 17, no. 11, p. 5219, 2025, doi: 10.3390/
su17115219.
[24] X. Dorronsoro, E. Garayalde, U. Iraola, and M. Aizpurua,
“Modular battery energy storage system design factors analysis to
improve battery-pack reliability,” Journal of Energy Storage, vol. 54,
p. 105256, 2022, doi: 10.1016/j.est.2022.105256.
[25] A. Tuluhong, Z. Xu, Q. Chang, and T. Song, “Recent
Developments in Bidirectional DC-DC Converter Topologies, Control
Strategies and Applications in Photovoltaic Power Generation Systems:
A Comparative Review and Analysis,” Electronics, vol. 14, no. 2,
p. 389, 2025. doi: 10.3390/electronics14020389.
[26] D. O. Lipko, Device for Monitoring Battery Parameters,
M.Sc. thesis, Dept. Micro- and Nanosystems Technology, Kyiv
Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine, 77 p. [Online]. Available: https://
ela.kpi.ua/handle/123456789/38755.
Copyright: © 2025, The author(s). Licensee: Politekhperiodika, Odesa, Ukraine. This article is an open access
article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license
(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-717 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-12T01:00:31Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/89/7cd7e5c6b169855b3b8a959aa699a989.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-7172026-06-11T12:18:13Z Application prospects of active balancing in multi-module battery packs Перспективи використання активного балансування в багатомодульних акумуляторних батареях Lipko, Dmytro Naidonov, Arsenii Kozhushko, Yuliia Bondarenko, Yuliia Safronov, Pavlo Bondarenko, Oleksandr battery battery management system (BMS) active balancing imbalance electric vehicle (EV) driving range lifetime акумуляторна батарея система керування акумуляторною батареєю активне балансування дисбаланс електромобіль запас ходу ресурс In modern batteries, particularly those used in electric vehicles, one of the key factors determining efficiency, reliability, and durability is the imbalance of charge levels (state of charge, SoC) between cells. This imbalance arises due to technological heterogeneity of cells, differences in internal resistance, degradation levels (state of health, SoH), temperature gradients, measurement errors in control channels, and unequal cooling conditions. The imbalance leads to reduced usable capacity, increased thermal loads, and uneven current distribution during charging and discharging, which ultimately lowers efficiency and shortens battery lifetime. Previous studies highlight the potential of active balancing to mitigate charge-level imbalance in multi‑module batteries. The aim of this work is to experimentally verify the effectiveness of active balancing, determine its impact on imbalance levels and energy efficiency indicators of multi‑module lithium‑ion batteries, and formulate practical recommendations for the use of active balancers in electric transport systems. The study showed that applying an active balancer to a module with degraded cells reduced the maximum imbalance from 220 mV to 45 mV, increased usable capacity from 33 Ah to 43 Ah, improved the estimated SoH from 69% to 81%, and extended the real driving range of the electric vehicle by 56% (from 82 km to 128 km when discharged from 100% to 10% SoC). The experimental data confirm that local active balancing is an effective and economically feasible approach to restoring usable capacity, improving energy efficiency, and extending the service life of traction batteries without requiring full‑scale balancing of all modules. This approach is promising for practical implementation in electric transport systems and stationary energy storage, particularly for operational restoration of batteries with heterogeneous degradation levels. Досліджено вплив дисбалансу комірок на ефективність багатомодульних літій-іонних акумуляторних батарей. Проблема дисбалансу призводить до суттєвого зниження корисної ємності та запасу ходу електромобілів. Експеримент показав, що застосування активного балансира на модулі зі зношеними комірками дозволило знизити максимальний дисбаланс з 220 мВ до 45 мВ. Це призвело до збільшення реального запасу ходу електромобіля з 82 км до 128 км, що становить приріст у 35%. Результати підтверджують високу ефективність активного балансування в порівнянні з пасивним балансування як засобу відновлення корисної ємності та подовження життєвого циклу АБ в електротранспорті та системах накопичення енергії. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2025-12-30 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.3-4.47 10.15222/TKEA2025.3-4.47 Technology and design in electronic equipment; No. 3–4 (2025): Technology and design in electronic equipment; 47-55 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 3–4 (2025): Технологія та конструювання в електронній апаратурі; 47-55 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2025.3-4 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.3-4.47/725 Copyright (c) 2025 Dmytro Lipko, Arsenii Naidonov, Yuliia Kozhushko, Yuliia Bondarenko, Pavlo Safronov, Oleksandr Bondarenko http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | акумуляторна батарея система керування акумуляторною батареєю активне балансування дисбаланс електромобіль запас ходу ресурс Lipko, Dmytro Naidonov, Arsenii Kozhushko, Yuliia Bondarenko, Yuliia Safronov, Pavlo Bondarenko, Oleksandr Перспективи використання активного балансування в багатомодульних акумуляторних батареях |
| title | Перспективи використання активного балансування в багатомодульних акумуляторних батареях |
| title_alt | Application prospects of active balancing in multi-module battery packs |
| title_full | Перспективи використання активного балансування в багатомодульних акумуляторних батареях |
| title_fullStr | Перспективи використання активного балансування в багатомодульних акумуляторних батареях |
| title_full_unstemmed | Перспективи використання активного балансування в багатомодульних акумуляторних батареях |
| title_short | Перспективи використання активного балансування в багатомодульних акумуляторних батареях |
| title_sort | перспективи використання активного балансування в багатомодульних акумуляторних батареях |
| topic | акумуляторна батарея система керування акумуляторною батареєю активне балансування дисбаланс електромобіль запас ходу ресурс |
| topic_facet | battery battery management system (BMS) active balancing imbalance electric vehicle (EV) driving range lifetime акумуляторна батарея система керування акумуляторною батареєю активне балансування дисбаланс електромобіль запас ходу ресурс |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.3-4.47 |
| work_keys_str_mv | AT lipkodmytro applicationprospectsofactivebalancinginmultimodulebatterypacks AT naidonovarsenii applicationprospectsofactivebalancinginmultimodulebatterypacks AT kozhushkoyuliia applicationprospectsofactivebalancinginmultimodulebatterypacks AT bondarenkoyuliia applicationprospectsofactivebalancinginmultimodulebatterypacks AT safronovpavlo applicationprospectsofactivebalancinginmultimodulebatterypacks AT bondarenkooleksandr applicationprospectsofactivebalancinginmultimodulebatterypacks AT lipkodmytro perspektivivikoristannâaktivnogobalansuvannâvbagatomodulʹnihakumulâtornihbatareâh AT naidonovarsenii perspektivivikoristannâaktivnogobalansuvannâvbagatomodulʹnihakumulâtornihbatareâh AT kozhushkoyuliia perspektivivikoristannâaktivnogobalansuvannâvbagatomodulʹnihakumulâtornihbatareâh AT bondarenkoyuliia perspektivivikoristannâaktivnogobalansuvannâvbagatomodulʹnihakumulâtornihbatareâh AT safronovpavlo perspektivivikoristannâaktivnogobalansuvannâvbagatomodulʹnihakumulâtornihbatareâh AT bondarenkooleksandr perspektivivikoristannâaktivnogobalansuvannâvbagatomodulʹnihakumulâtornihbatareâh |