摘  要： 介紹了一種采用主動平衡方法的電池管理系統，能夠準確平衡電壓和準確估算充電量，確保系統能充分利用電池組內的儲電，因此可以解決電動汽車鋰電池的行程里數問題，確保電池更安全可靠，壽命更長，適用于混能及全電動的汽車。
關鍵詞： 電池管理；被動平衡；主動平衡；儲電量；補償

    混能及全電動汽車廣受市場歡迎，其增長率更是一直大幅飆升，因此顯示汽車電動化的發展即將進入另一個嶄新的階段。
    對于電動汽車來說，電池組是車內最昂貴而穩定性又最成疑問的組件。高性能的電池管理系統可為混能及全電動的汽車提供一個理想的解決方案，解決電池組電量不足的問題。正如Chevy Volt 的設計團隊所言：“我們的工程師在研發過程中發現采用電池管理系統可大幅延長電池壽命，確保電池能充分發揮其性能。換言之，電池管理系統是解決電池問題的關鍵。”
被動平衡解決方案及其相關問題
    電池管理系統的設計要面對許多問題，諸如大量串聯的小電池的充電問題以及如何確保電池組內每一枚小電池都不會過量充電等。鋰電池對于過壓情況極為敏感，過壓會降低電池性能，甚至會令電池嚴重受損，無法再用。不同的電池各有不同的性能參數，因此性能也各不相同。此外，每次重新充電前，不同的電池也各有不同的殘余電荷，因此部分電池會較快充滿電，以致這些電池會因為出現過壓而嚴重受損，無法再次使用。
    目前有一個方法可以確保電池組內的所有小電池都能充滿電，即將電流分流至旁路電阻，稱為被動平衡方法。該方法可將不需要的充電電流分流至電阻，讓電阻耗散這些電流，以免電池過量充電。這個功率耗散功能可將電池分流出來的電流限定在某一范圍內。
    被動平衡方法無法在電池放電時發揮作用，因此必須尋求其他辦法。
    即使電池組內的不同小電池之間取得高度的平衡，其儲電量也是不盡相同。這個現象稱為儲電量失衡。即使不同小電池的儲電量在開始時完全相同，但由于部分小電池的內部損耗較大，因此到后來它們的實際儲電量也會各不相同。此外，同一廠商生產的小電池都各有不同的性能參數，因此廠商通常會嚴格挑選參數差距最少的小電池放在同一電池組內。但整個測試過程需要花費較多時間，而且不合格的小電池會被篩出，這樣會增加廠商的成本負擔。隨著電池老化，其儲電量也會相應遞減，令各小電池的參數差距進一步擴大。加上電池組內不同的小電池各有不同的溫度梯度，因此小電池的老化程度也各不相同。熱量管理技術可以在電池平衡方面發揮關鍵作用，但引進這種技術會大幅增加成本。
    實際儲電量較低而且呈“弱勢”的小電池承受最大的放電壓力，因此耗電最快，令其充電量比其他強勢電池少。經過一段時間的使用之后，這類“弱勢”的小電池會較快老化，儲電量的跌幅也較大。換言之，這些小電池的壽命會更短，整個電池組的壽命也會因此而縮短。
主動平衡的解決方案
    主動平衡方法可以解決鋰電池所面對的問題。主動平衡系統無需先將電池電流分流，然后再將電流耗散，其優勝之處是可以通過直流/直流轉換器將電荷傳送至電池組內的小電池。無論小電池處于充電、放電還是空閑狀態，都可傳送電荷，而各小電池之間也可經常保持平衡。由于主動平衡方法的電荷傳送效率極高，因此可以提供較高的平衡電流，令電池組內各小電池可以更快地達到平衡，而且充電速度也更高，這是被動平衡方法所無法做到的。
    空閑的電池也會漏電，而且即使不同的小電池之間已達到完全平衡狀態，由于溫度梯度不同，令各小電池的內部漏電速度各不相同，以致電荷漏失率也各不相同。電池溫度每升高10 ℃，漏電率便上升一倍。主動平衡功能可以確保空閑的小電池不斷重新尋求平衡。不同小電池之間必須經常保持平衡才可充分利用電池組內的所有儲電。
    圖1顯示了主動平衡方法相比被動平衡方法的優勢。由于電池各有不同的儲電量，采用被動平衡方法，電池組的總儲電量相等于充電時的最高和最低儲電量之間的差額。

    整個電池組可以不斷放電，直至某一小電池的儲電量已降至其最低水平為止，此時其他小電池還有未用的殘余電能，因此電池組的實際儲電量（充電量）會減少。
    由于主動平衡方法可以在充電時利用高效率的電源轉換器傳送電荷，因此儲電量不同的小電池可完全充滿電，而且功率損耗可以減至最少。若采用被動平衡方法，部分電荷會被耗散掉，但主動平衡方法會將這些電荷傳送到儲電量較大的小電池。放電時情況也大致相同，由于大容量電池的電能可以重新分配到容量較小的電池之內，因此所有小電池都可充分放電，電池組內不會有殘余的電能留下。具備主動平衡功能的電池組擁有較大的實際儲電量，這方面比被動平衡的電池優勝。
    主動平衡系統的性能取決于平衡電流與電池充電和放電率之間的比率。電池的不平衡率越高而且充電或放電率越大，所需的平衡電流便越高。主動式電池管理系統可以在充電或放電時為小電池之間的儲電量差額提供補償（假設采用的平衡電流恒定不變），圖2顯示這個差額的補償數值。

針對電池模塊的平衡方法
    電動汽車的電池組一般內含多達幾百枚的小電池，全部劃分為多個不同的模塊。小電池之間與各模塊之間都同樣必須保持平衡，因為不同模塊各有不同參數，不同的溫度也會影響性能以及令模塊出現不同程度的老化，而且電池組必須定期檢查，甚至要不時更換舊模塊。
    以上介紹的平衡方法忽略了模塊之間互相傳送電荷的問題。
    有一種方法可確保模塊之間保持平衡，即將每一模塊的小電池與鄰近模塊內的其中一枚小電池連接一起，以便在兩者之間建立一條傳送電荷的路徑。該方法的缺點是效率較低，因為電荷必須先傳送至某一小電池，然后再分配給模塊內的其他小電池。若電荷要傳送到較遠的模塊，電荷便需要分開多次傳送，令效率進一步下降。
美國國家半導體的主動平衡電池管理系統解決方案
    美國國家半導體的主動平衡電池管理系統是一個適用于大型鋰電池的全方位系統解決方案。基本上，這是一塊印制電路板，其中配置了多顆特殊應用集成電路（ASIC），因此可以提供主動電池平衡、高精度數據采集、保護及完善的電池管理等功能。
    美國國家半導體的電池管理系統采用優化的隔離式電感拓撲結構，可以提供高效率及高電流的電池平衡功能，確保各模塊內及各模塊之間保持高度平衡。電荷可在同一模塊內的任何小電池之間以及在不同模塊之間雙向傳送，這樣可將傳送過程中的轉發次數減至最少，而且小電池之間和模塊之間可以同時取得平衡。系統也可通過智能控制算法選擇最理想的平衡策略，以便優化系統性能。此外，由于這套系統采用模塊式的架構，因此系統的規模具有較大的靈活性。由于一塊電路板可以管理多個內含多達14枚小電池的電池模塊，因此負責管理這些模塊的每一塊電路板都可堆疊在一起，以便管理高壓電池組。堆疊一起的模塊基本上沒有數目上的限制，唯一的條件是模塊電壓不可超過絕緣元器件的最高額定電壓。平衡電流的大小取決于所選擇的元器件，工程師可以按照需要選擇電流大小，以便在成本與性能之間作出適當的取舍，確保兩者都符合設計要求。
    除了執行電荷平衡功能之外，電池管理系統還負責全面監控電池組的操作，確保系統能以前所未有的精確度測量電池組內每一小電池的電壓。美國國家半導體的模擬前端電路負責平衡電荷，而且在這方面一直發揮關鍵的作用，但除此之外，模擬前端電路還可保證有關電池組充電量及健康情況的估算數值準確無誤。
    電池管理系統在極短時間內完成電池組內所有小電池的電壓測量。換言之，整個電池組內所有小電池的測量工作都會同步進行。
    電池管理系統的內部設有多層診斷和故障檢測電路，可以檢測電池欠壓、過壓、通信故障、傳感器線路開路以及電池過熱等故障情況，并向主控制器發送報告。另外，系統還有冗余故障檢測電路，可以通過主硬件和固件通道之外的其他通道通報故障情況。有關參數會與儲存在固件內的可編程閾值互相比較，內置比較器的獨立式故障檢波器也會同時監控有關數值。
    每一電路板都配備一個多接點的絕緣CAN總線接口，讓電路板可與其他模塊及主控制器進行高速通信。電路板也可利用CAN總線執行多種不同的診斷、可編程和可配置功能。
    由于這套電池管理系統能夠準確平衡電壓和準確估算充電量，因此可確保系統能充分利用電池組內的儲電，進一步延長行程里數，而且還可通過先進可靠的“剩余容量估算功能”幫助駕駛者準確預測所余“行程里數”，讓他們安心駕駛。
    由于美國國家半導體的電池管理系統具備許多先進功能，因此無論電池處于充電、放電還是空閑狀態，這套電池管理系統都可準確控制電池組內各小電池的充電量，有助于大幅提高電池組的安全性和可靠性，以及延長其壽命周期。
    這套電池管理系統可為汽車用大型電池、汽車充電站儲電系統和較小型的電池組提供一個先進而有效的解決方案。其獨特之處在于一方面適用于大型的電池組，而另一方面又與其他電池管理系統解決方案不同，沒有采用舊式小型電池組的設計，因此性能遠比其他電池管理系統優勝。