ACTIVE BALANCING OF LITHIUM BATTERIES VIA REDISTRIBUTION OF EXCESS ENERGY ACROSS ALL CELLS
The article considers the issue of increasing the efficiency of lithium battery operation by implementing new methods of active cell balancing. Such batteries are the basis of modern energy storage systems, often used in combination with renewable energy sources (RES) to ensure balanced and reliable...
Збережено в:
| Дата: | 2025 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2025
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/548 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103963640627200 |
|---|---|
| author | Yandulskiy , О. Tymokhin , О. Tymokhina , А. Hulyi , V. |
| author_facet | Yandulskiy , О. Tymokhin , О. Tymokhina , А. Hulyi , V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "О. Yandulskiy ",
"institution": "National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "О. Tymokhin ",
"institution": "National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "А. Tymokhina ",
"institution": "National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "V. Hulyi ",
"institution": "National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Yandulskiy , О. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:22Z |
| description | The article considers the issue of increasing the efficiency of lithium battery operation by implementing new methods of active cell balancing. Such batteries are the basis of modern energy storage systems, often used in combination with renewable energy sources (RES) to ensure balanced and reliable operation of power systems. 
Modern battery cells usually consist of a large number of series or series-parallel connected cells, each of which has individual characteristics and different aging rates. This leads to uneven charge distribution, reduced efficiency and reduced battery life. 
The paper proposes an improved approach to active balancing, which ensures effective redistribution of excess energy from recharged cells to other cells. Unlike common solutions, the proposed method provides global balance without the use of expensive or specialized components. 
The architecture of a balancing device implemented on the basis of standard electronic elements is described, which reduces the cost and simplifies implementation. The advantage of this approach is the absence of the need for complex current management for each cell, which is especially important for industrial energy storage systems. 
Simulations have shown that excess energy is distributed evenly, and its return to the source cell is minimized with increasing number of cells in the battery. 
The proposed solution demonstrates high efficiency, scalability and suitability for use in backup power systems, renewable energy storage, electric transport and other areas where battery reliability and durability are important.  |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2025.3(82).48-54 |
| first_indexed | 2025-10-01T01:30:52Z |
| format | Article |
| fulltext |
48
Відновлювана енергетика. № 3/2025 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
УДК 621.3 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2025.3(82).48-54
АКТИВНЕ БАЛАНСУВАННЯ ЛІТІЄВИХ БАТАРЕЙ НА ОСНОВІ ПЕРЕНАПРАВЛЕННЯ НАДЛИШКОВОЇ
ЕНЕРГІЇ НА ВСІ ЕЛЕМЕНТИ БАТАРЕЇ
Отримано 23 лип. 2025 р.; рекомендовано до публікації 22 вер. 2025 р.
Доступно онлайн 30 вер. 2025 р.
Яндульський О. С.1, Тимохін О. В.2,
Тимохіна А. О.3, Гулий В. С.4
Автор для кореспонденції: Тимохіна Анастасія,
e-mail: a.planida@ukr.net
Анотація. У статті розглянуто питання підвищення
ефективності експлуатації літієвих акумуляторних ба-
тарей шляхом впровадження нових методів активного
балансування комірок. Такі батареї є основою сучасних
систем акумулювання енергії, які часто використову-
ються у поєднанні з відновлюваними джерелами енергії
(ВДЕ) для забезпечення збалансованої та надійної ро-
боти енергосистем.
Сучасні акумуляторні батареї зазвичай складаються з великої кількості послідовно або послідовно-пара-
лельно з'єднаних елементів, кожен з яких має індивідуальні характеристики та різні темпи старіння. Це
призводить до нерівномірного розподілу заряду, зниження ефективності та скорочення ресурсу батареї.
У роботі запропоновано вдосконалений підхід до активного балансування, що забезпечує ефективний
перерозподіл надлишкової енергії від перезаряджених елементів до інших комірок. На відміну від поши-
рених рішень, запропонований метод забезпечує глобальний баланс без використання дорогих або спе-
ціалізованих компонентів.
Описано архітектуру балансувального пристрою, реалізованого на базі стандартних електронних еле-
ментів, що знижує вартість і спрощує реалізацію. Перевагою цього підходу є відсутність необхідності
у складному керуванні струмом для кожного елемента, що дуже важливо для промислових систем на-
копичення енергії.
Моделювання показало, що надлишкова енергія розподіляється рівномірно, а її зворотне повернення у
вихідну комірку мінімізується зі зростанням кількості елементів у батареї.
Запропоноване рішення демонструє високу ефективність, масштабованість і придатність до засто-
сування в системах резервного живлення, накопичувачах ВДЕ, електротранспорті та інших сферах, де
важливі надійність і довговічність акумуляторів.
Ключові слова: літієва батарея, активне балансування, BMS, системи накопичення енергії, відновлю-
вані джерела енергії, акумулятори.
ACTIVE BALANCING OF LITHIUM BATTERIES VIA REDISTRIBUTION OF EXCESS ENERGY
ACROSS ALL CELLS
Received Jul. 23, 2025; accepted Sept. 22, 2025
Available online Sept. 30, 2025
Yandulskiy О.1, Tymokhin О.2,
Tymokhina А.3, Hulyi V.4
Author for correspondence: Tymokhina Anastasiya,
e-mail: a.planida@ukr.net
Abstract. The article considers the issue of increasing the effi-
ciency of lithium battery operation by implementing new meth-
ods of active cell balancing. Such batteries are the basis of mod-
ern energy storage systems, often used in combination with
1 д-р. техн. наук, проф.
https://orcid.org/0000-0002-0362-7947
2 канд. техн. наук, ст. викл.
https://orcid.org/0000-0002-9862-1766
3 асистент
https://orcid.org/0000-0001-5892-0326
4 асистент
https://orcid.org/0000-0002-2145-4082
1, 2, 3, 4 Національний технічний університет
України «Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна
1 Dr. of Science (Tech.), Assoc. Prof.
https://orcid.org/0000-0002-0362-7947
2 Cand. of Science (Tech.), senior lecturer
https://orcid.org/0000-0002-9862-1766
3 assistant
https://orcid.org/0000-0001-5892-0326
4 assistant
https://orcid.org/0000-0002-2145-4082
1, 2, 3, 4 National Technical University of Ukraine «Igor
Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine
49
Відновлювана енергетика. № 3/2025 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
renewable energy sources (RES) to ensure balanced and reliable operation of power systems.
Modern battery cells usually consist of a large number of series or series-parallel connected cells, each of which
has individual characteristics and different aging rates. This leads to uneven charge distribution, reduced efficiency
and reduced battery life.
The paper proposes an improved approach to active balancing, which ensures effective redistribution of excess
energy from recharged cells to other cells. Unlike common solutions, the proposed method provides global balance
without the use of expensive or specialized components.
The architecture of a balancing device implemented on the basis of standard electronic elements is described,
which reduces the cost and simplifies implementation. The advantage of this approach is the absence of the need
for complex current management for each cell, which is especially important for industrial energy storage systems.
Simulations have shown that excess energy is distributed evenly, and its return to the source cell is minimized with
increasing number of cells in the battery.
The proposed solution demonstrates high efficiency, scalability and suitability for use in backup power systems,
renewable energy storage, electric transport and other areas where battery reliability and durability are im-
portant.
Keywords: lithium battery, active balancing, BMS, energy storage systems, renewable energy sources, batteries.
Використані позначення та скорочення
АБ – акумуляторна батарея
АРМ – активна розподільна мережа
ВДЕ – відновлювані джерела енергії
ММ – мікромережа
РГ – розподілена генерація
РК – розподільна компанія
ОСЗЕ – оператор спільного зберігання енергії
СЗЕ (УЗЕ) – система (установка) збереження енергії
P2P (peer-to-peer) – обмін на горизонтальному рівні
Вступ
На сьогодні літієві акумулятори є одними з найпошире-
ніших засобів накопичення енергії, що призначені як
для стаціонарних (особливо в системах безперебійного
живлення та системах живлення з ВДЕ), так і для мобі-
льних систем (особливо електротранспорту) завдяки ви-
соким показникам питомої енергії, що дозволяє змен-
шити масогабаритні параметри систем, отримати
великий ресурс роботи і збільшити термін служби.
Зростання частки відновлюваних джерел енергії в енер-
гобалансі ставить нові вимоги до стабільності енергоси-
стем та керованості ними. У цьому контексті інтеграція
систем накопичення енергії на основі літієвих батарей є
важливою і часто необхідною умовою для забезпечення
збалансованої роботи мережі. Однак істотна вартість та-
ких систем обумовлює актуальність рішень, спрямова-
них на підвищення їх ефективності, надійності та довго-
вічності.
Сучасне промислове виробництво літієвих акумулятор-
них батарей зосереджене на використанні різних елект-
рохімічних систем, кожна з яких має свої переваги й не-
доліки. Серед найпоширеніших виділяють літій-іонні (Li-
ion), літій-залізо-фосфатні (LiFePO₄), літій-нікель-манган-
кобальт-оксидні (NMC), літій-нікель-кобальт-алюміній-
оксидні (NCA), літій-титанатні (LTO), літій-полімерні (Li-
Po) електрохімічні системи для виробництва літієвих
акумуляторів. Вибір конкретного типу літієвого акумуля-
тора залежить від вимог до енергетичної щільності, без-
пеки, терміну служби та специфіки застосування [7].
Постановка завдання
Всі літієві акумулятори хоч і характеризуються найви-
щими напругами у перерахунку на одну комірку (до 4,6–
4,7 В у різновиді літій-іонних акумуляторів – Li-rich (лі-
тій-збагачені) акумулятори [10]), але все ж таки один
елемент не здатний забезпечити необхідний рівень
енергоємності для функціонування потужних систем
(особливо електротранспорту чи систем накопичення
енергії). Крім того, напруга одного елемента є недостат-
ньою для живлення побутових та промислових електро-
установок. Тому необхідно будувати батареї з окремих
елементів шляхом послідовно-паралельного з’єднання.
Послідовне або послідовно-паралельне з’єднання до-
зволяє отримати батареї з більшим значенням напруги,
що дає можливість живити різноманітні електропри-
лади різної потужності. Вихідна напруга таких батарей є
лінійною сумою напруг її елементів, що з’єднані послі-
довно. Заряджання таких батарей здійснюється спеціа-
лізованими зарядними станціями, що спочатку підтри-
мують режим сталого струму (який залежить від типу
батареї і має діапазон від 0,5С до 1,5С [2], де С – ємність
батареї в ампергодинах), а після досягнення напруги,
що відповідає сумі максимальних напруг усіх послідо-
вно з’єднаних елементів батареї, переходять у режим
підтримання напруги до моменту падіння струму заряду
нижче визначеного значення (зазвичай 0,1С).
Сама собою зарядна станція слідкує за сумарною напру-
гою всієї батареї, а не за напругою окремих елементів.
Тим паче зарядна станція не слідкує за температурами
елементів батареї. Але напруга й температура конкрет-
них елементів у батареї є дуже важливими з огляду на
особливості самих літієвих батарей різних типів, що
впливає насамперед на безпеку експлуатації батареї та
на її довговічність. Водночас літієві батареї різних типів
чутливі до перевищення максимальної напруги, пере-
гріву, сильного розряду.
50
Відновлювана енергетика. № 3/2025 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
Контроль цих параметрів покладається на спеціальні
пристрої – системи управління батареєєю (Battery
management system – BMS). Передусім BMS – це пристрої
захисту, які слідкують за режимними параметрами бата-
реї в цілому та її окремих елементів, реалізуючи її захист
від перезаряду, перерозряду та перегріву як батареї, так
і окремих елементів батареї. Але також на BMS зазвичай
покладають і задачу балансування елементів батареї, яка
полягає у вирівнюванні напруги або заряду окремих еле-
ментів у батареї. Це забезпечує безпеку експлуатації ба-
тареї, рівномірність зношування елементів батареї і від-
повідно подовження терміну її служби [8].
Задача балансування полягає в недопущенні переза-
ряду елементів батареї, але в сучасному Й технологічно
досконалому варіанті реалізації цієї задачі балансу-
вання полягає у вирівнюванні напруг між всіма елемен-
тами батареї, тому що різна напруга на елементах бата-
реї призводить як до нерівномірного розряду еле-
ментів, так і до їх нерівномірного заряду, що своєю чер-
гою на кожному циклі заряду / розряду збільшує різ-
ницю потенціалів між елементами, зменшує сумарну
ємність батареї, знижує ресурс елементів та призводить
до передчасного виходу батареї з ладу. Тому до основ-
них причин, що вимагають наявності системи балансу-
вання, можна віднести:
− запобігання перевантаженню і перезаряду елементів;
− запобігання перерозряду елементів батареї;
− напрацювання батареї згідно з заявленим терміном
служби [6, 8].
На сьогодні виділяють два основних методи балансу-
вання батарей: пасивне та активне балансування [6].
Пасивне балансування полягає у перекиданні надлиш-
кової енергії від більш заряджених елементів на спеціа-
льні навантажувальні елементи, якими оснащено BMS.
При цьому ця надлишкова внутрішня енергія перетво-
рюється на теплову. Такий підхід дозволяє знизити рі-
вень напруги більш заряджених елементів до рівня ре-
шти елементів. Перевагою підходу є простота та низька
вартість, а до недоліків варто віднести втрати енергії ба-
тареї, нагрів, досить повільний процес балансування,
пов’язаний зі швидкістю відводу тепла від навантажува-
льних елементів [1, 6].
Активне балансування полягає в перерозподілі надлиш-
кової енергії між комірками батареї, що підвищує ефек-
тивність системи. Існують різні схемні рішення перероз-
поділу енергії між комірками. Активне балансування
може здійснюватися з використанням різних підходів,
зокрема, це конденсаторне балансування, трансформа-
торне балансування, балансування на основі DC/DC пе-
ретворювачів та індуктивне балансування [1, 6].
При конденсаторному балансуванні перерозподіл над-
лишкового заряду здійснюється через заряд / розряд
конденсаторів. До переваг такого підходу слід віднести
наявність спільного елемента зберігання. Один великий
або група менших конденсаторів заряджається від
більш зарядженої комірки, після чого схема перекому-
товує кола до менш зарядженого елемента. Простота
методу насправді виходить на складну логіку електрон-
ної комутації. Також слід відзначити, що енергія, яка
передається від більш зарядженого елемента до менш
зарядженого, пропорційна різниці напруг цих елемен-
тів, а враховуючи, що в реальній батареї за умов норма-
льної експлуатації ця різниця напруги є невеликою і та-
кою, що зменшується в процесі балансування, то і
енергія, що передається від елемента до елемента, є не-
великою і такою, що зменшується в процесі балансу-
вання. Це вимагає використання великих конденсаторів
та призводить до зменшення швидкодії роботи схеми
балансування. Крім того, слід зважати на великий габа-
рит конденсаторів великої ємності та необхідність конт-
ролю зарядних струмів конденсаторів [6, 11].
При трансформаторному балансуванні використовують
багатообмоткові трансформатори, де кожна комірка ба-
тареї має свою обмотку і, відповідно, через неї як заби-
рається енергія у магнітне поле спільного осердя, так і
віддається енергія з магнітного поля спільного осердя у
менш заряджені комірки. Основна перевага такого ме-
тоду – відсутність гальванічного зв’язку між окремими
комірками батареї через схему балансування, проте по-
руч з цим є багатообмотковий трансформатор, який є
спеціалізованим трансформатором, розрахованим під
конкретну кількість комірок та обмеженими умовами
роботи [3, 6].
При балансуванні на основі DC-DC перетворювачів як
балансувальна схема використовується один або декі-
лька DC-DC перетворювачів, які перемикаються між різ-
ними елементами батареї. Слід зазначити, що це найе-
фективніший спосіб балансування, оскільки за своєю
природою DC-DC перетворювачі мають повний конт-
роль над вихідними напругою та струмом, але водночас
і найдорожчий спосіб, бо, по суті, він потребує одного
або кількох повноцінних DC-DC перетворювачів та скла-
дних схем комутації між комірками батареї [4, 9].
При індуктивному балансуванні передавання енергії від
більш заряджених комірок до менш заряджених здійс-
нюється через індуктивний елемент (дросель). Цей під-
хід схожий з методом DC-DC перетворювачів, але за та-
кого підходу індуктивний елемент працює в режимі
переривчастих струмів, що прибирає потребу в контролі
струму кожного елемента [6, 9]. Оригінальним втілен-
ням є технологія балансування компанії Texas
Instruments, що має назву PowerPump балансування,
ідея якої полягає в перенесенні заряду від більш заря-
джених елементів до сусідніх елементів. Схемотехнічно
процес перенесення реалізується через стандартні еле-
менти (насамперед мається на увазі дросель, який не є
спеціалізованим, а є звичайним дроселем загального
призначення). Недолік такого підходу полягає в тому,
що енергія передається не від найбільш зарядженого
елемента до менш зарядженого, а до сусідніх елемен-
тів, які можуть бути теж сильно заряджені. Це, по суті,
викликає тривале перекидання енергії від комірки до
комірки вздовж батареї [5].
Основний матеріал
Для підвищення ефективності балансування запропоно-
вано підхід індуктивного балансування, який, як і решта
підходів індуктивного балансування, не вимагає наяв-
ності специфічних елементів, а будується на
51
Відновлювана енергетика. № 3/2025 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
стандартних електронних компонентах. На відміну від
інших підходів надлишкова енергія перезарядженого
елемента перерозподіляється між всіма елементами
батареї, а не тільки сусідніми. При запропонованому пі-
дході деяка кількість енергії від перезарядженого еле-
мента накопичується в дроселі, але розряд накопиченої
енергії здійснюється на всі комірки батареї включно з
перезарядженою. При цьому частина енергії поверта-
ється в перезаряджену комірку, але ця енергія прибли-
зно в N раз менша, ніж та, що була відібрана в переза-
рядженого елемента батареї.
Схему балансування батареї, що реалізує такий підхід,
представлено на рис. 1.
BN
BK
B1
...
...
Балансир
елемента
K
Балансир
елемента
1
Балансир
елемента
N
BN
BK
B1
K2
K1
VD2
VD1
L
Iзар(t)
Iрозр(t)
...
...
( )
NелU t
( )
KелU t
( )
1елU t
Iрозр(t)
Iзар(t)
( )
KL
U t
а б
Рис. 1. Схема балансування літієвої батареї:
а – структурна схема балансування батареї, б – принципова схема балансування батареї
Fig. 1. Battery balancing scheme:
a – structural diagram of battery balancing, b – schematic diagram of battery balancing
При дослідженні процесів, що відбуваються в схемі,
прийнято, що напруга на одному елементі
KелU протя-
гом одного періоду є незмінною і напруги всіх N елеме-
нтів батареї, що представлені рис. 1, є однаковими. При
цьому розглянуто запропонований підхід на прикладі
балансування елемента В2.
При замиканні ключів К1 та К2 струм від В2 заряджає
дросель L. Як відомо, струм через дросель пов’язаний з
прикладеною напругою виразом:
( )
K
K K
зар
L ел
dI t
U U L
dt
= = (1)
При цьому енергія дроселя визначається виразом:
( )
( )
2
2
Kзар
K
L I t
W t
= (2)
Нехай ключі К1 та К2 були включені протягом часу зарT .
Тоді енергія, що накопичиться в дроселі, буде визнача-
тися виразом:
2 2
2
K
K
ел зар
L
U T
W
L
=
(3)
Після відключення К1 та К2 енергія, накопичена в дро-
селі L через VD1 та VD2, розряджається на всю батарею.
При цьому струм через батарею відразу після відклю-
чення буде незмінним і визначатиметься виразом:
( )0 K
K
ел зар
розр
U T
I
L
= (4)
Струм
KрозрI буде протікати по всіх елементах батареї,
напруга на якій у N разів більше за напругу, що заря-
джала дросель (для схеми на рис. 1 N = 3). Тоді за зако-
ном комутації
( ) ( )
( )
K
K K
розр
L ел
dI t
U t N U t L
dt
= − = (5)
Енергія, що накопичилася в дроселі, повинна бути пов-
ністю витрачена. Це супроводжується протіканням
струму через батарею та падінням величини цього
52
Відновлювана енергетика. № 3/2025 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
струму в міру зниження енергії дроселя. Завершення
розряду накопиченої енергії характеризується падінням
струму дроселя до нуля. З цієї умови може бути визна-
чений час розряду енергії, що накопичилася в дроселі.
( ) ( )0 0K
K K
ел
розр розр розр розр
N U
I T I T
L
= − = (6)
Підставивши (4) в (6), отримаємо
зар
розр
T
T
N
= (7)
Таким чином, час розряду дроселю тим коротший, чим
більше елементів у батареї.
Слід відзначити, що струм через всі елементи батареї
при розряді енергії дроселя протікає однаковий, при
цьому зазвичай напруги елементів у батареї відрізня-
ються незначно. Тоді енергію, що припаде на кожен
елемент батареї, можна прийняти як:
KL
ел
W
W
N
= (8)
Відповідно до (3) та (8) за один період від елемента ба-
тареї відбирається квант енергії
KL
W , з яких KL
W
N
повертається назад в елемент, а
( )1
KL
W N
N
−
розподіля-
ється між іншими елементами батареї.
На рис. 2 наведено модель такої схеми в програмному
середовищі MatLab, а на рис. 3 представлено результати
моделювання. Встановлено, що відбувається процес пе-
рерозподілу енергії між елементами батареї В1 та В2. Зо-
крема, це підтверджується приростом заряду елемента
В1 та падінням заряду елемента В2. Слід відзначити па-
діння заряду на елементі В2 при заряді дроселя та неве-
лике зростання заряду при його розряді, що підтверджує
часткове повернення енергії в елемент батареї В2, який
балансується. У безструмовій паузі заряд всіх елементів
батареї залишається незмінним. Необхідно відмітити ва-
жливість наявності безструмової паузи, яка забезпечує
початок чергового циклу балансування з нульового
струму, що важливо для запобігання процесу неконтро-
льованого зростання струму розряду елемента батареї,
який балансується. Для забезпечення максимальної ефе-
ктивності роботи схеми балансування слід прагнути міні-
мального, але не нульового, часу безструмової паузи.
Ідеалізоване співвідношення між зарядуt і розядуt визнача-
ється співвідношенням (7), але на практиці зарядуt завжди
має бути меншим у порівнянні з ідеалізованим, це необ-
хідно для забезпечення запасу на похибку вимірювання
напруг і реального розбалансування елементів батареї.
Рис. 2. Модель схеми балансування одного елемента
Fig. 2. Model of a single element balancing scheme
53
Відновлювана енергетика. № 3/2025 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
Розряд
дроселя
Заряд
дроселя
Безструмова
пауза
Рис. 3. Перерозподіл заряду між елементами батареї В1 та В2 та струми при перерозподілі
Fig. 3. Redistribution of charge between battery cells B1 and B2 and currents during redistribution
Висновки
Запропоновано підхід балансування літієвих акумулятор-
них батарей, який на відміну від відомих використовує
надлишкову енергію перезарядженого елемента для пе-
рерозподілу між всіма елементами батареї, без викорис-
тання додаткових спеціалізованих елементів. Завдяки си-
муляційному моделюванню підтверджено передачу
енергії від елемента, що балансується, до всієї батареї.
Показано, що частина енергії повертається в елемент, що
балансується, а також доведено зниження енергії (що по-
вертається) зі збільшенням кількості елементів у батареї,
що ефективно для батарей з високою напругою, які засто-
совуються в потужних системах резервного живлення та
накопичувачах для систем на основі відновлюваних дже-
рел енергії. Показано, що при роботі в режимі перервних
струмів схема не потребує кіл контролю струму балансу-
вання, оскільки накопичена енергія встигає повністю ро-
зподілитись по елементах батареї.
ПОСИЛАННЯ
1. Ashraf A., Ali B., Alsunjury M. S.A., Goren H., Kilicoglu H.,
Hardan F., Tricoli P. Review of Cell-Balancing Schemes
for Electric Vehicle Battery Management Systems. Ener-
gies. 2024. Т. 17. № 6. С. 1271.
2. Bruj O., Calborean A. Lifecycle Evaluation of Lithium-Ion
Batteries Under Fast Charging and Discharging Condi-
tions. Batteries. 2025. Т. 11. № 2. С. 65.
3. Chen Y., Liu X., Cui Y., Zou J., Yang S. A Multi-winding
Transformer Cell-to-Cell Active Equalization Method for
Lithium-Ion Batteries with Reduced Number of Driving
Circuits. IEEE Transactions on Power Electronics. 2015.
Т. 2. С. 1.
4. ELVIRA D. G., VALDERRAMA BLAVI H., BOSQUE MON-
CUSI J. M., CID PASTOR A., GARRIGA CASTILLO J. A.,
MARTINEZ SALAMERO L. Active Battery Balancing Via a
Switched DC/DC Converter: Description and Perfor-
mance Analysis. 2019 16th Conference on Electrical Ma-
chines, Drives and Power Systems (ELMA). Varna, Bul-
garia: IEEE, 06.06.2019 – 08.06.2019, ‒ 06.06.2019 –
08.06.2019. С. 1–6.
5. James Moran PowerPump Balancing, [Електронний
ресурс]. Rev. B. ‒ 10.2011. – Режим доступу:
https://www.ti.com/lit/an/slua524b/slua524b.pdf?ts=
1750969724438. – 15 p.
6. Khan N., Ooi C. A., Alturki A., Amir M., Shreasth, Alharbi
T. A critical review of battery cell balancing techniques,
optimal design, converter topologies, and performance
evaluation for optimizing storage system in electric ve-
hicles. Energy Reports. 2024. Т. 11. № 1. С. 4999–5032.
7. Lithium-ion battery, [Електронний ресурс]. ‒
13/05/2025. – Режим доступу: https://en.wikipe-
dia.org/wiki/Lithium-ion_battery (дата звернення:
25/06/2025).
8. Liu K., Li K., Peng Q., Zhang C. A brief review on key tech-
nologies in the battery management system of electric
vehicles. Frontiers of Mechanical Engineering. 2019.
Т. 14. № 1. С. 47–64.
9. Samanta A., Chowdhuri S. Active Cell Balancing of Lith-
ium-ion Battery Pack Using Dual DC-DC Converter and
Auxiliary Lead-acid Battery. Journal of Energy Storage.
2021. Т. 33. № c. С. 102109.
10. Xie Y., Jin Y., Xiang L. Li-rich layered oxides: Structure,
capacity and voltage fading mechanisms and solving
strategies. Particuology. 2022. Т. 61. С. 1–10.
54
Відновлювана енергетика. № 3/2025 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
11. Ye Y., Lin J., Li Z., Wang X. Double-Tiered Cell Balancing
System With Switched-Capacitor and Switched-Induc-
tor. IEEE Access. 2019. Т. 7. С. 183356–183364.
REFERENCES
1. Ashraf A., Ali B., Alsunjury M. S.A., Goren H., Kilicoglu H.,
Hardan F., Tricoli P. Review of Cell-Balancing Schemes
for Electric Vehicle Battery Management Systems. Ener-
gies. 2024. Т. 17. № 6. С. 1271.
2. Bruj O., Calborean A. Lifecycle Evaluation of Lithium-Ion
Batteries Under Fast Charging and Discharging Condi-
tions. Batteries. 2025. Т. 11. № 2. С. 65.
3. Chen Y., Liu X., Cui Y., Zou J., Yang S. A Multi-winding
Transformer Cell-to-Cell Active Equalization Method for
Lithium-Ion Batteries with Reduced Number of Driving
Circuits. IEEE Transactions on Power Electronics. 2015.
Т. 2. С. 1.
4. ELVIRA D. G., VALDERRAMA BLAVI H., BOSQUE MON-
CUSI J. M., CID PASTOR A., GARRIGA CASTILLO J. A.,
MARTINEZ SALAMERO L. Active Battery Balancing Via a
Switched DC/DC Converter: Description and Perfor-
mance Analysis. 2019 16th Conference on Electrical Ma-
chines, Drives and Power Systems (ELMA). Varna, Bul-
garia: IEEE, 06.06.2019 – 08.06.2019, ‒ 06.06.2019 –
08.06.2019. С. 1–6.
5. James Moran PowerPump Balancing, [Електронний
ресурс]. Rev. B. ‒ 10.2011. – Режим доступу:
https://www.ti.com/lit/an/slua524b/slua524b.pdf?ts=
1750969724438. – 15 p.
6. Khan N., Ooi C. A., Alturki A., Amir M., Shreasth, Alharbi
T. A critical review of battery cell balancing techniques,
optimal design, converter topologies, and performance
evaluation for optimizing storage system in electric ve-
hicles. Energy Reports. 2024. Т. 11. № 1. С. 4999–5032.
7. Lithium-ion battery, [Електронний ресурс]. ‒
13/05/2025. – Режим доступу:
https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery
(дата звернення: 25/06/2025).
8. Liu K., Li K., Peng Q., Zhang C. A brief review on key tech-
nologies in the battery management system of electric
vehicles. Frontiers of Mechanical Engineering. 2019.
Т. 14. № 1. С. 47–64.
9. Samanta A., Chowdhuri S. Active Cell Balancing of Lith-
ium-ion Battery Pack Using Dual DC-DC Converter and
Auxiliary Lead-acid Battery. Journal of Energy Storage.
2021. Т. 33. № c. С. 102109.
10. Xie Y., Jin Y., Xiang L. Li-rich layered oxides: Structure,
capacity and voltage fading mechanisms and solving
strategies. Particuology. 2022. Т. 61. С. 1–10.
11. Ye Y., Lin J., Li Z., Wang X. Double-Tiered Cell Balancing
System With Switched-Capacitor and Switched-Induc-
tor. IEEE Access. 2019. Т. 7. С. 183356–183364.
|
| id | veorgua-article-548 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:16:33Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/12/37a5bf0f6ac1d48b42ede75261b86412.pdf |
| spelling | veorgua-article-5482026-07-18T06:32:22Z ACTIVE BALANCING OF LITHIUM BATTERIES VIA REDISTRIBUTION OF EXCESS ENERGY ACROSS ALL CELLS АКТИВНЕ БАЛАНСУВАННЯ ЛІТІЄВИХ БАТАРЕЙ НА ОСНОВІ ПЕРЕНАПРАВЛЕННЯ НАДЛИШКОВОЇ ЕНЕРГІЇ НА ВСІ ЕЛЕМЕНТИ БАТАРЕЇ Yandulskiy , О. Tymokhin , О. Tymokhina , А. Hulyi , V. lithium battery, active balancing, BMS, energy storage systems, renewable energy sources, batteries. літієва батарея, активне балансування, BMS, системи накопичення енергії, відновлювані джерела енергії, акумулятори. The article considers the issue of increasing the efficiency of lithium battery operation by implementing new methods of active cell balancing. Such batteries are the basis of modern energy storage systems, often used in combination with renewable energy sources (RES) to ensure balanced and reliable operation of power systems.  Modern battery cells usually consist of a large number of series or series-parallel connected cells, each of which has individual characteristics and different aging rates. This leads to uneven charge distribution, reduced efficiency and reduced battery life.  The paper proposes an improved approach to active balancing, which ensures effective redistribution of excess energy from recharged cells to other cells. Unlike common solutions, the proposed method provides global balance without the use of expensive or specialized components.  The architecture of a balancing device implemented on the basis of standard electronic elements is described, which reduces the cost and simplifies implementation. The advantage of this approach is the absence of the need for complex current management for each cell, which is especially important for industrial energy storage systems.  Simulations have shown that excess energy is distributed evenly, and its return to the source cell is minimized with increasing number of cells in the battery.  The proposed solution demonstrates high efficiency, scalability and suitability for use in backup power systems, renewable energy storage, electric transport and other areas where battery reliability and durability are important.  У статті розглянуто питання підвищення ефективності експлуатації літієвих акумуляторних батарей шляхом впровадження нових методів активного балансування комірок. Такі батареї є основою сучасних систем акумулювання енергії, які часто використовуються у поєднанні з відновлюваними джерелами енергії (ВДЕ) для забезпечення збалансованої та надійної роботи енергосистем.  Сучасні акумуляторні батареї зазвичай складаються з великої кількості послідовно або послідовно-паралельно з'єднаних елементів, кожен з яких має індивідуальні характеристики та різні темпи старіння. Це призводить до нерівномірного розподілу заряду, зниження ефективності та скорочення ресурсу батареї.  У роботі запропоновано вдосконалений підхід до активного балансування, що забезпечує ефективний перерозподіл надлишкової енергії від перезаряджених елементів до інших комірок. На відміну від поширених рішень, запропонований метод забезпечує глобальний баланс без використання дорогих або спеціалізованих компонентів.  Описано архітектуру балансувального пристрою, реалізованого на базі стандартних електронних елементів, що знижує вартість і спрощує реалізацію. Перевагою цього підходу є відсутність необхідності у складному керуванні струмом для кожного елемента, що дуже важливо для промислових систем накопичення енергії.  Моделювання показало, що надлишкова енергія розподіляється рівномірно, а її зворотне повернення у вихідну комірку мінімізується зі зростанням кількості елементів у батареї.   Запропоноване рішення демонструє високу ефективність, масштабованість і придатність до застосування в системах резервного живлення, накопичувачах ВДЕ, електротранспорті та інших сферах, де важливі надійність і довговічність акумуляторів.   Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2025-09-28 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/548 10.36296/1819-8058.2025.3(82).48-54 Vidnovluvana energetika ; No. 3(82) (2025): Scientific and applied Journal renewable energy ; 48-54 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 3(82) (2025): Scientific and applied Journal renewable energy ; 48-54 Відновлювана енергетика; № 3(82) (2025): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 48-54 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2025.3(82) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/548/457 Copyright (c) 2025 О. Yandulskiy , О. Tymokhin , А. Tymokhina , V. Hulyi https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | lithium battery active balancing BMS energy storage systems renewable energy sources batteries. Yandulskiy , О. Tymokhin , О. Tymokhina , А. Hulyi , V. ACTIVE BALANCING OF LITHIUM BATTERIES VIA REDISTRIBUTION OF EXCESS ENERGY ACROSS ALL CELLS |
| title | ACTIVE BALANCING OF LITHIUM BATTERIES VIA REDISTRIBUTION OF EXCESS ENERGY ACROSS ALL CELLS |
| title_alt | АКТИВНЕ БАЛАНСУВАННЯ ЛІТІЄВИХ БАТАРЕЙ НА ОСНОВІ ПЕРЕНАПРАВЛЕННЯ НАДЛИШКОВОЇ ЕНЕРГІЇ НА ВСІ ЕЛЕМЕНТИ БАТАРЕЇ |
| title_full | ACTIVE BALANCING OF LITHIUM BATTERIES VIA REDISTRIBUTION OF EXCESS ENERGY ACROSS ALL CELLS |
| title_fullStr | ACTIVE BALANCING OF LITHIUM BATTERIES VIA REDISTRIBUTION OF EXCESS ENERGY ACROSS ALL CELLS |
| title_full_unstemmed | ACTIVE BALANCING OF LITHIUM BATTERIES VIA REDISTRIBUTION OF EXCESS ENERGY ACROSS ALL CELLS |
| title_short | ACTIVE BALANCING OF LITHIUM BATTERIES VIA REDISTRIBUTION OF EXCESS ENERGY ACROSS ALL CELLS |
| title_sort | active balancing of lithium batteries via redistribution of excess energy across all cells |
| topic | lithium battery active balancing BMS energy storage systems renewable energy sources batteries. |
| topic_facet | lithium battery active balancing BMS energy storage systems renewable energy sources batteries. літієва батарея активне балансування BMS системи накопичення енергії відновлювані джерела енергії акумулятори. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/548 |
| work_keys_str_mv | AT yandulskiyo activebalancingoflithiumbatteriesviaredistributionofexcessenergyacrossallcells AT tymokhino activebalancingoflithiumbatteriesviaredistributionofexcessenergyacrossallcells AT tymokhinaa activebalancingoflithiumbatteriesviaredistributionofexcessenergyacrossallcells AT hulyiv activebalancingoflithiumbatteriesviaredistributionofexcessenergyacrossallcells AT yandulskiyo aktivnebalansuvannâlítíêvihbatarejnaosnovíperenapravlennânadliškovoíenergíínavsíelementibatareí AT tymokhino aktivnebalansuvannâlítíêvihbatarejnaosnovíperenapravlennânadliškovoíenergíínavsíelementibatareí AT tymokhinaa aktivnebalansuvannâlítíêvihbatarejnaosnovíperenapravlennânadliškovoíenergíínavsíelementibatareí AT hulyiv aktivnebalansuvannâlítíêvihbatarejnaosnovíperenapravlennânadliškovoíenergíínavsíelementibatareí |