以大型的锂离子（Li-ion）电池槽做为动力来源的电动车，可展现油电混合车及全电动车（EV）的电气特性。而采用电荷平衡（charge balancing）之电池管理的必要性也显而易见。传统简单的作法是将电力散逸而达到充电等化（charge equalization），现则以主动的方式让电力在各个电池之间移转的方式取代。而新开发出的主动式系统相较于被动解决方案，效能大幅提升，且材料成本仅稍高于被动式的解决方案。

《图一 英飞凌位于慕尼黑的「汽车系统工程」小组开发了相关汽车应用的参考设计，并制造出可上路的E-Cart及E-Buggy，以供实际测试。此两款令人印象深刻，以大型的锂离子电池槽做为动力来源的示范车，用以展现油电混合车及全电动车电气特性。》

电池系统架构

多年来，镍镉电池及镍氢电池一直是各方所采用的主要技术。 近来，新上市的锂离子电池由于效能极佳，市占率已快速攀升。锂离子电池拥有惊人的能源储存容量，但仅单颗电池，其电压和电流皆过低，仍不足以支持油电混合马达所需之动力。为了提升电流量，必须以并联方式连接电池，而采用串联方式连接电池则可以获得较高的电压。电池组装厂商通常以简写来说明电池的装配方式，例如「3 P 50 S」，意指 3颗电池并联、50颗电池串联。

串接多颗电池时，适合使用模块化架构来做电池管理。举例来说，最多12颗电池可串联为一个3 P 12 S数组组，由内含微控制器的电路所管理和保持平衡。电池组的输出电压是由串联电池的数量及电池电压所决定。锂离子电池的电压一般介于3.3 V及3.6 V之间，因此电池组的电压介于30 V及50 V之间。油电混合车和电动车需要400 V的直流供应电压，因此需要串接100颗以上的电池，也就是8至12个电池组。

增添DC/DC转换器

为了补偿充电状态时之电池电压的变异，可于电池槽和马达驱动器之间增添DC/DC转换器。另外，此架构也可使用较低的电池槽电压。若要使DC/DC转换器充分运作，需要150 V至300 V的电池槽电压，因此必须串接5至8个电池组。

《图二 使用 DC/DC 转换器的架构》

平衡的必要性

锂离子电池极易因电压超出许可的范围而毁损。若电压超出上下限范围，电池将发生无法复原的损害，至少也会导致自行放电率上升。充电状态（State-Of-Charge；SOC）的大部分时候，输出电压是稳定的，偏离安全范围的风险也很低。 然而，在安全范围的开始和结束时，曲线会骤然变得陡直，此时必须小心监控电压以防发生问题。

由于所有电池采用串联，只要有一颗电池达到临界值，充电或放电程序便须被中止。若使用被动式平衡系统，就必须中止充电程序，并开始进行平衡。而在正常行驶的放电期间，只有充电程序能提供帮助。如果有稳固的主动式平衡电路，无论在任何情况下，都能将相关受影响的电池回复至安全区域。为达此目的，当电池槽任一电池的电压开始与其他电池不同时，就必须在电池间转移能量。

《图三 锂离子电池的电压范围》

电荷平衡

平衡系统的第一个步骤，是测量每颗电池的电压。若发现电压值不同，则必须采取适当的平衡决策。

传统被动式方法

在电池组中，每颗电池的电位皆依电池组接地而不同，因此需要不同的差动放大器。后继多任务器则必须同时进行准位调节器的工作，如此可将电池电压引导至一般的A-to-D转换器。

就平衡而言，在一般的电池管理系统中，每颗电池皆透过切换器连接R1至Rn负载电阻器。在此类被动式电路中，可将每个特定电池放电。此方法仅适于充电模式，用来抑制电量最强的电池电压上升。为了限制散逸的功率，必须使用100 mA 的小电流，因此平衡时间可能耗费数小时。

《图四 被动式平衡电路》

主动式平衡

文献中可以发现许多关于主动式平衡的方法，其中的必备要素是用于转移能量的储存组件。要使用电容器，需要大量的切换组件，才能使储存电容器链接所有电池。这样做的效率不佳，而且电池间差异小的时候，转移的能量也低。

如果能将能量储存于磁场，效率会更高，而此电路的主要组件为变压器。英飞凌团队已与SUMIDA Components & Modules GmbH合作开发出原型产品。

变压器用于：

基本的建构原理为返驰式转换器，此类变压器可将能量储存于磁场。磁铁芯中的空气柱可提升磁阻，避免磁铁芯材质产生磁性饱和。变压器有两个不同侧：

合适的变压器可支持高达12颗电池。切换器采用场效晶体管，导通电阻极低，因此传导损失极少，也不需特殊的散热片。

《图五 主动式平衡电路》

每个电池组是由8位微控制器所控制，具备快闪程序内存及32k数据存储器。两个硬件式CAN接口，支持以低处理器负载使用一般汽车控制器局域网络（CAN）总线通讯协议的通讯，硬件式乘除单元（MDU）则可加速运算程序。

平衡方法

变压器具备双向用途，可依情况支持两种不同的平衡方向。在扫描过所有电池的电压之后，计算出平均电压值。接着检查与标准值差异最大的电池，若其电压低于标准值，将采用下平衡（bottom-balancing）方法；若高于标准值，则采用上平衡（top-balancing）方法。

下平衡

下列范例说明需要下平衡方法的状况。经检查后，2号电池的电压最弱， 因此必须进行支持。

《图六 下平衡》

当主（「prim」）开关关闭时，变压器自电池槽充电获得能量。在主开关开启之后，即可将变压器所储存的能量转移至特定的电池，此动作发生于对应的次（「sec」）开关（范例中为 sec2）关闭时。

循环周期包含2个主动式脉冲及1个暂停。此范例中，50微秒周期等于20 kHz频率。变压器的频率设计应超过20 kHz，避免在可听频率范围内出现干扰性的啸声噪声（whistling noise），此声讯是由变压器磁铁芯的磁性变化所产生。

下平衡方法有助于延长电池槽的运作时间，特别是当电池的剩余电量到达底端时。只要从电池槽所汲取的电流少于平均平衡电流，汽车就能继续行驶直到最后一颗电池的电量耗尽。

上平衡

若某颗电池的电压高于其他电池，可以从中取出能量，而在充电模式则是有其必要。如果没有平衡，只要电池电量已满，就必须立即中止充电程序。而平衡可将电池保持在相同的电压值，有助于避免发生前述状况。

《图七 上平衡》

上述范例说明上平衡模式的能量流。在扫描过所有电池的电压之后，检测出5号电池的电压为电池槽中最强者。当sec5开关关闭时，电流自电池流入变压器。因为电感现象，电流会随时间直线上升。由于电感是变压器的固有特性，因此开关的接通时间会决定最大电流值。电池外的能量将储存为磁场。在sec5开启之后，prim开关必须关闭，而变压器的运转状态变更为发电模式。能量将透过大的一次侧线圈提供给整个电池槽。电流及时序条件与下平衡范例类似，但顺序和电流方向相反。

电池组之间的平衡

上述方法可以使电池组内的各个电池充电状态完全相等，但是电池组本身充电状态也可能有所差异。在电池组变压器加入简单的线圈，以及在一次侧线圈高侧加入晶体管，即可进行电池组之间的平衡。其运作方式如同上平衡原理，但有一处不同：电压最强之电池的能量将转移至电池槽，而不是电池组。能量流可由高侧SP2开关控制，开关关闭时，能量会保留在电池组内。开关开启时，消磁电流将透过二极管流入整个电池槽。

附注： 下平衡无法自电池槽进入电池组或特定电池。

《图八 电池组之间的平衡》

平衡电源

原型汽车所使用的组态，可以达到平均5 A的平衡电流，较被动式方法高出50倍。然而，使用5 A进行平衡所造成整个电池组的功率散逸仅约2W，不需要任何冷却动作且可改善系统的能量平衡。

电压扫描

为了管理每颗电池的充电状态，必须测量其个别的电压。其中只有电池1 位于微控制器的ADC范围内，因此电池组中其他的电池电压无法直接测量。可行的解决方案之一是采用大量的差动放大器，其必须承受整个电池组的电压。而此处说明的方法仅需加装少量硬件，即可测量所有电压。 虽然变压器的主要工作为电荷平衡，但也可用作多任务器和准位调节器。

在电压扫描模式中，不会用到变压器的能量储存功能。当S1至SN其中一个开关关闭时，连接之电池的电压会转换至变压器中的所有线圈。经过离散滤波器的前置处理，将提供量测讯号成为微控制器的ADC输入。当次开关关闭时，对应的电池电压会在附加至电池组电压的T1汲极（Drain terminal）增加Vm的电压。R1及T2会形成电源，Im电流与电池电压成比例。在R2电阻器中，电流转换回与电池组接地级有关的电压。最后，

µ控制器的ADC会产生数字值。

使用

µ控制器闪存所储存的校准值，电压量测准确度优于10 mV。

《图九 电压量测滤波器》

S1至Sn其中一个开关关闭时，产生的量测脉冲时间非常短，实际的接通时间为4

µs。因此，变压器中并未储存太多的能量。无论如何，在开关开启之后，以磁性储存的能量会透过主晶体管回流至整个电池组。因此，电池组的能量含量不会受到影响。在对所有电池扫描过一次之后，系统会回复至最初的状态。

主动式平衡提供的效能

下列曲线说明实际进行实验的量测结果。电池组内旧电池的原始容量为2.3 Ah。在此两种状况中，所有电池皆已充电至3.4 V。接着以1.8 A定值负荷对电池组进行放电，直到第一颗电池到达2 V的限制。电池电压透过外部多信道电压计进行记录。

第一次实验未进行平衡，并于46分钟后结束。在第二次实验中，一开始即开启主动式平衡，其中的尖峰处来自于平衡动作。由于黄色曲线的电池在一开始的电压最低，因此平衡很早即开始进行。第二次实验于53分钟后结束。其改善超过17 %。

《图十 主动式平衡提供的效能》

此彻底说明了为何旧电池在经过主动式平衡之后，能够延长使用时间。 被动式系统仅能将电压较强的电池放电至与电压较弱的电池相同的水平，这么做并没有意义。

结语

新型锂离子电池的效益，只有使用具备电池管理的系统才能发挥。主动式电荷平衡系统可提供远优于传统被动式方法的效能，巧妙使用相对应的简易变压器，将有助于维持低廉的材料成本。