前言

英飛凌科技將一項任務交給位於德國慕尼黑的「汽車系統工程」（Automotive System Engineering）組：開發一部電動車（E-Cart）。這台車可開上路，用以展示油電混合車的電氣功能，車子的動力來自一具大型的鋰離子（Li-ion）電池槽（battery stack）。我們立刻發現，電荷平衡（charge balancing）的電池管理有其必要，最簡單的傳統解決方案是利用充電等化（charge equalization）的耗散功率（dissipating power），這種方式勢必要以電池之間的有實功率（active energy）轉移取代。搜尋現有文獻後徒勞無功，目前只發表過相關基本原理。於是團隊決定自行開發專業知識，結果發現在材料成本上，主動系統（active system）比被動的解決方案效能更佳，如圖一所示。

《圖一　電動車（E-Cart）原型》

電池系統架構

鎳鎘電池及其後繼產品，鎳金屬氫化物電池的技術已廣泛使用多年，近來全新的鋰離子電池進入市場，由於效能明顯提升，市占率也急速竄升之中。鋰離子電池的能量儲存容量十分驚人，不過，單憑這樣一顆電池的容量，並不足以供應一台油電混合車的使用，電壓及電流都太低了。要增加電流的能力，必須將電池並聯；要求得更高的電壓，則必須將電池串聯。

電池組裝廠通常以簡寫的方式，例如「3 P 50 S」，來說明電池的配置，意思是3個電池並聯，50個電池串聯。

許多顆電池以串聯進行電池管理時，模組化架構的方式較佳，例如，多達12個串聯連接的電池，以3 P12 S的陣列，組合成一個電池塊（block）。這些電池靠著一個內含微控制器為核心的電子電路，進行管理與平衡。

電池塊的輸出電壓與串聯電池的數量，以及電池的電壓有關。典型的鋰離子電池電壓介於3.3V與3.6V之間，亦即電池塊的電壓會介於30V及45V之間，而油電混合車在駕駛時所需的直流供應電壓，則需要450V左右。為了補償電池在充電狀態時的電壓變化，可在電池槽及馬達驅動系統之間，加入一個DC-DC轉換器做適當的連結，這個轉換器也能同時限制電流。

為了讓DC-DC轉換器的運作最佳化，需要150V至300V的堆疊電壓（stack voltage）；因此，必須將5到8個電池塊串聯起來。

平衡的必要性

若超出容許電壓範圍之外，如圖二所示，鋰離子電池很容易受損，如果超出電壓的上下限（以納磷酸鹽型為例，分別為2V及3.6V），電池便會嚴重損壞，無法復原，最後至少會擴大自我放電的速率。在寬廣的「剩餘電量」（State-Of-Charge；SOC）範圍中，輸出電壓是穩定的，偏離安全區的風險並不高。然而，在安全區的開端及尾端，曲線異常陡峭，為了防範於未然，必須謹慎監控電壓。

《圖二　鋰離子放電特性（納磷酸鹽型）》

如果電壓達到臨界值，放電或充電程序就必須立即停止。靠著強大的平衡電路，受影響的電池能將電壓控制在安全區域內。要做到這點，電池槽中任何一個電池的電壓若開始與其他電池不同，能量就必須在電池之間移動。

電荷平衡

傳統的被動方法

常見的電池管理系統中，每個電池都透過一個開關連接至負載電阻，在這樣的被動電路裡，可個別選定電池進行放電。此方法僅適用於充電模式，以抑制電力最強的電池電壓上升。為了限制耗散的功率，使用在100mA區域的小電流，導致平衡時間長達數小時之久。

主動平衡

現有文獻中，可找到許多主動平衡的方法。移動能量需要一個儲存元件，若使用電容，會需要一個大型陣列的切換元件，以便將儲存電容連結至任一電池上；將能量儲存在磁場中，便相對有效多了。這個電路的關鍵零組件是一個變壓器，英飛凌團隊與VOGT Electronic Components GmbH共同合作，開發出一款原型產品。用途包括：

‧@內標:在電池中移動能量。

‧@內標:多路傳輸單一電池的電壓至「接地電壓式」（ground-voltage-based）的「類比數位轉換器」（Analog-to-Digital-Conversion；ADC）輸入，

整個結構的原理就在返馳式轉換器（flyback converter）。此類型的變壓器可將能量儲存在磁場中，磁鐵心內的空氣間隙增加磁阻，以避免磁心材質的磁飽和。

變壓器分為兩側：

‧@內標:一次側連接至整個電池槽。

‧@內標:各個電池則連接至二次側線圈。

一個可用的變壓器模型，可支援多達12個電池，限制的因素在於可能連接的數目。上述的原型變壓器有28支接腳，開關則以OptiMOS3系列的MOSFET為代表。該系列具有極低的導通電阻（on-resistance），因此導通損（conducting loss）可以忽略，如圖三所示。

《圖三　電池管理模組的主要電路》

每個電池塊都用一個現代的8-位元微控制器控制，即英飛凌的XC886CLM，它具有一個快閃程式及一個32-KB的資料記憶體。兩個硬體式的CAN介面，使用低處理器負載的通用型汽車「控制器區域網路」（Controller Area Network；CAN）匯流排通訊協定，支援通訊。一個硬體式的「乘除法單元」（Multiplication and Division Unit；MDU），可加速計算過程。

平衡的方法

可雙向使用的變壓器，依情況可應用在兩種不同方法上。掃描所有電池的電壓之後（稍後有詳細說明），先計算出平均值，然後檢查與平均值相差最大的電池。若該電池的電壓低於平均值，採用下平衡（bottom-balancing）法；若高於平均值，則採用上平衡（top-balancing）轉化。

下平衡

圖四中的例子顯示採用下平衡法的情況，經過確認，2號電池是最弱的電池，必須加以支援。

《圖四　下平衡（Bottom-balancing）原理》

一次測（prim）的開關關閉時，變壓器從電池槽充電；一次側的開關開啟之後，變壓器儲存的能量就能轉移至選定的電池上。在本例中，如果對應的二次側（sec）開關sec2關閉時，即發生此情況。

每個循環週期是由2個主動脈衝及一個暫停所組成，本例之中，40微秒的週期相當於25千赫的頻率。變壓器的設計必須要讓頻率超過20千赫以上，以免在聽頻範圍內出現擾人的哨音，而這個噪音是變壓器內磁鐵心的磁致伸縮（magnetostriction）所造成的。

特別是當電池達到剩餘電量（SOC）的下限時，下平衡法可延長電池槽的操作時間。只要來自電池槽的電流一直低於平衡電流的平均值，就能持續操作車輛，直到最後一顆電池的電力消耗殆盡為止。

上平衡

如果一個電池的電壓高於其他電池，可將能量從該電池抽出，在充電模式下，這個動作絕對有必要。若沒有平衡，充電的程序在第一顆電池充飽時就必須立即停止，平衡可藉由保持相同的電池電壓，避免此情形發生。

圖五的例子顯示出上平衡模式的能量流。掃描過電壓之後，偵測到5號電池是電池槽中電力最強的。開關sec5關閉時，電流從電池流向變壓器，因為電感的關係，電流隨著時間線性升高。電感是變壓器具有的特性，開關的導通時間定義了電流的最大值，從電池流出的能源，即以磁場的形式儲存起來。sec5開啟之後，prim開關必須關閉，變壓器的運轉狀態變成發電機模式，而能量則經由大型的一次側線圈飼入整個電池槽。其電流及時間的條件與下平衡的例子相似，只有順序及電流的方向逆轉過來。

《圖五　上平衡（Top-balancing）原理》

平衡電力

使用英飛凌E-Cart上的原型組態，可達到5A的平均平衡電流，比起被動式方法，整整高出50倍之多，而且這5A的平衡所造成的整個電池塊的功率耗散，只有大約2W。這不需要特殊的冷卻處理，還可增進系統的能量平衡。

掃描電壓

要管理個別電池的充電狀態，必須先量測個別電壓。只有1號電池是在微控制器的ADC範圍內，因此電池塊其餘電池，沒辦法直接量測到電壓。可使用一陣列的差動放大器（differential amplifier）作為解決方案，而且要能承受整個電池塊的電壓。

只要新增少量的硬體，以下方法便能量測出所有的電壓。以電荷平衡為主要工作的變壓器，也能拿來作為多工器之用，在電壓掃描模式，便不使用變壓器的返馳（flyback）模式。開關S1至SN的其中之一關閉時，連接在一起的電池就將電壓轉換至變壓器的所有線圈上。

只要透過離散濾波器（discrete filter）預處理，就能將量測訊號飼入微控制器的ADC輸入。開關S1至Sn其中之一關閉時所產生的量測脈衝可能非常短，實際的導通時間是4μs，因此，儲存在變壓器內的能量並不多。無論如何，開啟開關後，以磁性儲存的能量皆會經由一次側電晶體，回饋至整個電池塊。因此，電池塊的能量含量並未受到影響，掃描過所有電池一輪以後，系統會返回最初的狀態。

結語

只要利用一套功能優秀的電池管理系統，便能善加利用鋰離子電池的優勢。相較於傳統的被動方法，主動的電荷平衡系統更能提供顯著的絕佳效能。巧妙使用一具簡單的變壓器，就能將物料成本降低。

--作者Werner Rosler，Dipl.-Ing.是德國紐必堡英飛凌科技旗下「安全應用系統工程」（System Engineering for Safety Applications）的系統工程師。