以大型的鋰離子（Li-ion）電池槽做為動力來源的電動車，可展現油電混合車及全電動車（EV）的電氣特性。而採用電荷平衡（charge balancing）之電池管理的必要性也顯而易見。傳統簡單的作法是將電力散逸而達到充電等化（charge equalization），現則以主動的方式讓電力在各個電池之間移轉的方式取代。而新開發出的主動式系統相較於被動解決方案，效能大幅提升，且材料成本僅稍高於被動式的解決方案。

《圖一　英飛凌位於慕尼黑的「汽車系統工程」小組開發了相關汽車應用的參考設計，並製造出可上路的E-Cart及E-Buggy，以供實際測試。此兩款令人印象深刻，以大型的鋰離子電池槽做為動力來源的示範車，用以展現油電混合車及全電動車電氣特性。》

電池系統架構

多年來，鎳鎘電池及鎳氫電池一直是各方所採用的主要技術。 近來，新上市的鋰離子電池由於效能極佳，市佔率已快速攀升。鋰離子電池擁有驚人的能源儲存容量，但僅單顆電池，其電壓和電流皆過低，仍不足以支援油電混合馬達所需之動力。為了提升電流量，必須以並聯方式連接電池，而採用串聯方式連接電池則可以獲得較高的電壓。電池組裝廠商通常以簡寫來說明電池的裝配方式，例如「3 P 50 S」，意指 3顆電池並聯、50顆電池串聯。

串接多顆電池時，適合使用模組化架構來做電池管理。舉例來說，最多12顆電池可串聯為一個3 P 12 S陣列組，由內含微控制器的電路所管理和保持平衡。電池組的輸出電壓是由串聯電池的數量及電池電壓所決定。鋰離子電池的電壓一般介於3.3 V及3.6 V之間，因此電池組的電壓介於30 V及50 V之間。油電混合車和電動車需要400 V的直流供應電壓，因此需要串接100顆以上的電池，也就是8至12個電池組。

增添DC/DC轉換器

為了補償充電狀態時之電池電壓的變異，可於電池槽和馬達驅動器之間增添DC/DC轉換器。另外，此架構也可使用較低的電池槽電壓。若要使DC/DC轉換器充分運作，需要150 V至300 V的電池槽電壓，因此必須串接5至8個電池組。

《圖二　使用 DC/DC 轉換器的架構》

平衡的必要性

鋰離子電池極易因電壓超出許可的範圍而毀損。若電壓超出上下限範圍，電池將發生無法復原的損害，至少也會導致自行放電率上升。充電狀態（State-Of-Charge；SOC）的大部分時候，輸出電壓是穩定的，偏離安全範圍的風險也很低。 然而，在安全範圍的開始和結束時，曲線會驟然變得陡直，此時必須小心監控電壓以防發生問題。

由於所有電池採用串聯，只要有一顆電池達到臨界值，充電或放電程序便須被中止。若使用被動式平衡系統，就必須中止充電程序，並開始進行平衡。而在正常行駛的放電期間，只有充電程序能提供幫助。如果有穩固的主動式平衡電路，無論在任何情況下，都能將相關受影響的電池回復至安全區域。為達此目的，當電池槽任一電池的電壓開始與其他電池不同時，就必須在電池間轉移能量。

《圖三　鋰離子電池的電壓範圍》

電荷平衡

平衡系統的第一個步驟，是測量每顆電池的電壓。若發現電壓值不同，則必須採取適當的平衡決策。

傳統被動式方法

在電池組中，每顆電池的電位皆依電池組接地而不同，因此需要不同的差動放大器。後繼多工器則必須同時進行準位調節器的工作，如此可將電池電壓引導至一般的A-to-D轉換器。

就平衡而言，在一般的電池管理系統中，每顆電池皆透過切換器連接R1至Rn負載電阻器。在此類被動式電路中，可將每個特定電池放電。此方法僅適於充電模式，用來抑制電量最強的電池電壓上升。為了限制散逸的功率，必須使用100 mA 的小電流，因此平衡時間可能耗費數小時。

《圖四　被動式平衡電路》

主動式平衡

文獻中可以發現許多關於主動式平衡的方法，其中的必備要素是用於轉移能量的儲存元件。要使用電容器，需要大量的切換元件，才能使儲存電容器連結所有電池。這樣做的效率不佳，而且電池間差異小的時候，轉移的能量也低。

如果能將能量儲存於磁場，效率會更高，而此電路的主要組件為變壓器。英飛凌團隊已與SUMIDA Components & Modules GmbH合作開發出原型產品。

變壓器用於：

基本的建構原理為返馳式轉換器，此類變壓器可將能量儲存於磁場。磁鐵芯中的空氣柱可提升磁阻，避免磁鐵芯材質產生磁性飽和。變壓器有兩個不同側：

合適的變壓器可支援高達12顆電池。切換器採用場效電晶體，導通電阻極低，因此傳導損失極少，也不需特殊的散熱片。

《圖五　主動式平衡電路》

每個電池組是由8位元微控制器所控制，具備快閃程式記憶體及32k資料記憶體。兩個硬體式CAN介面，支援以低處理器負載使用一般汽車控制器區域網路（CAN）匯流排通訊協定的通訊，硬體式乘除單元（MDU）則可加速運算程序。

平衡方法

變壓器具備雙向用途，可依情況支援兩種不同的平衡方向。在掃描過所有電池的電壓之後，計算出平均電壓值。接著檢查與標準值差異最大的電池，若其電壓低於標準值，將採用下平衡（bottom-balancing）方法；若高於標準值，則採用上平衡（top-balancing）方法。

下平衡

下列範例說明需要下平衡方法的狀況。經檢查後，2號電池的電壓最弱， 因此必須進行支援。

《圖六　下平衡》

當主（「prim」）開關關閉時，變壓器自電池槽充電獲得能量。在主開關開啟之後，即可將變壓器所儲存的能量轉移至特定的電池，此動作發生於對應的次（「sec」）開關（範例中為 sec2）關閉時。

循環週期包含2個主動式脈衝及1個暫停。此範例中，50微秒週期等於20 kHz頻率。變壓器的頻率設計應超過20 kHz，避免在可聽頻率範圍內出現干擾性的嘯聲雜訊（whistling noise），此聲訊是由變壓器磁鐵芯的磁性變化所產生。

下平衡方法有助於延長電池槽的運作時間，特別是當電池的剩餘電量到達底端時。只要從電池槽所汲取的電流少於平均平衡電流，汽車就能繼續行駛直到最後一顆電池的電量耗盡。

上平衡

若某顆電池的電壓高於其他電池，可以從中取出能量，而在充電模式則是有其必要。如果沒有平衡，只要電池電量已滿，就必須立即中止充電程序。而平衡可將電池保持在相同的電壓值，有助於避免發生前述狀況。

《圖七　上平衡》

上述範例說明上平衡模式的能量流。在掃描過所有電池的電壓之後，檢測出5號電池的電壓為電池槽中最強者。當sec5開關關閉時，電流自電池流入變壓器。因為電感現象，電流會隨時間直線上升。由於電感是變壓器的固有特性，因此開關的接通時間會決定最大電流值。電池外的能量將儲存為磁場。在sec5開啟之後，prim開關必須關閉，而變壓器的運轉狀態變更為發電模式。能量將透過大的一次側線圈提供給整個電池槽。電流及時序條件與下平衡範例類似，但順序和電流方向相反。

電池組之間的平衡

上述方法可以使電池組內的各個電池充電狀態完全相等，但是電池組本身充電狀態也可能有所差異。在電池組變壓器加入簡單的線圈，以及在一次側線圈高側加入電晶體，即可進行電池組之間的平衡。其運作方式如同上平衡原理，但有一處不同：電壓最強之電池的能量將轉移至電池槽，而不是電池組。能量流可由高側SP2開關控制，開關關閉時，能量會保留在電池組內。開關開啟時，消磁電流將透過二極體流入整個電池槽。

附註： 下平衡無法自電池槽進入電池組或特定電池。

《圖八　電池組之間的平衡》

平衡電源

原型汽車所使用的組態，可以達到平均5 A的平衡電流，較被動式方法高出50倍。然而，使用5 A進行平衡所造成整個電池組的功率散逸僅約2W，不需要任何冷卻動作且可改善系統的能量平衡。

電壓掃描

為了管理每顆電池的充電狀態，必須測量其個別的電壓。其中只有電池1 位於微控制器的ADC範圍內，因此電池組中其他的電池電壓無法直接測量。可行的解決方案之一是採用大量的差動放大器，其必須承受整個電池組的電壓。而此處說明的方法僅需加裝少量硬體，即可測量所有電壓。 雖然變壓器的主要工作為電荷平衡，但也可用作多工器和準位調節器。

在電壓掃描模式中，不會用到變壓器的能量儲存功能。當S1至SN其中一個開關關閉時，連接之電池的電壓會轉換至變壓器中的所有線圈。經過離散濾波器的前置處理，將提供量測訊號成為微控制器的ADC輸入。當次開關關閉時，對應的電池電壓會在附加至電池組電壓的T1汲極（Drain terminal）增加Vm的電壓。R1及T2會形成電源，Im電流與電池電壓成比例。在R2電阻器中，電流轉換回與電池組接地級有關的電壓。最後，µ控制器的ADC會產生數位值。

使用µ控制器快閃記憶體所儲存的校準值，電壓量測準確度優於10 mV。

《圖九　電壓量測濾波器》

S1至Sn其中一個開關關閉時，產生的量測脈衝時間非常短，實際的接通時間為4 µs。因此，變壓器中並未儲存太多的能量。無論如何，在開關開啟之後，以磁性儲存的能量會透過主電晶體回流至整個電池組。因此，電池組的能量含量不會受到影響。在對所有電池掃描過一次之後，系統會回復至最初的狀態。

主動式平衡提供的效能

下列曲線說明實際進行實驗的量測結果。電池組內舊電池的原始容量為2.3 Ah。在此兩種狀況中，所有電池皆已充電至3.4 V。接著以1.8 A定值負荷對電池組進行放電，直到第一顆電池到達2 V的限制。電池電壓透過外部多通道電壓計進行記錄。

第一次實驗未進行平衡，並於46分鐘後結束。在第二次實驗中，一開始即開啟主動式平衡，其中的尖峰處來自於平衡動作。由於黃色曲線的電池在一開始的電壓最低，因此平衡很早即開始進行。第二次實驗於53分鐘後結束。其改善超過17 %。

《圖十　主動式平衡提供的效能》

此徹底說明了為何舊電池在經過主動式平衡之後，能夠延長使用時間。 被動式系統僅能將電壓較強的電池放電至與電壓較弱的電池相同的水準，這麼做並沒有意義。

結語

新型鋰離子電池的效益，只有使用具備電池管理的系統才能發揮。主動式電荷平衡系統可提供遠優於傳統被動式方法的效能，巧妙使用相對應的簡易變壓器，將有助於維持低廉的材料成本。