中心論題：

• 分析鋰電池組平衡的必要性
• 研究以變壓器為核心器件的主動電荷平衡方法

解決方案：

• 接近安全範圍上限和下限的區域，監測電壓水平非常必要
• 檢測電壓，計算平均值
  ，兩相比較決定選擇上限或下限平衡方法

多(duo)年(nian)以(yi)來(lai)，鎳(nie)鎘(ge)電(dian)池(chi)和(he)隨(sui)後(hou)出(chu)現(xian)的(de)鎳(nie)氫(qing)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)一(yi)直(zhi)占(zhan)據(ju)市(shi)場(chang)主(zhu)導(dao)地(di)位(wei)。鋰(li)電(dian)池(chi)隻(zhi)是(shi)最(zui)近(jin)幾(ji)年(nian)才(cai)進(jin)入(ru)市(shi)場(chang)。然(ran)而(er)，憑(ping)借(jie)其(qi)突(tu)出(chu)的(de)優(you)越(yue)性(xing)能(neng)，其(qi)市(shi)場(chang)份(fen)額(e)迅(xun)速(su)攀(pan)升(sheng)。鋰(li)電(dian)池(chi)具(ju)有(you)驚(jing)人(ren)的(de)蓄(xu)能(neng)容(rong)量(liang)
，但(dan)單(dan)個(ge)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)都(dou)太(tai)低(di)，不(bu)足(zu)以(yi)滿(man)足(zu)混(hun)合(he)動(dong)力(li)電(dian)機(ji)的(de)需(xu)要(yao)。為(wei)增(zeng)加(jia)電(dian)流(liu)需(xu)將(jiang)多(duo)個(ge)電(dian)池(chi)並(bing)聯(lian)起(qi)來(lai)，為(wei)獲(huo)得(de)更(geng)高(gao)的(de)電(dian)壓(ya)，則(ze)要(yao)把(ba)多(duo)個(ge)電(dian)池(chi)串(chuan)聯(lian)起(qi)來(lai)。
電池生產商通常以類似“3P 50S”字樣的縮寫詞來描述電池的排列方式，“3P 50S”代表3個電池並聯和50個電池串聯。
　　
對於有多個電池串聯而言，模塊化結構是電池管理的理想選擇。例如，將多達12個電池串聯起來
，組成3P 12S陣列中的一個電池塊（block）。這(zhe)些(xie)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)荷(he)由(you)一(yi)個(ge)帶(dai)有(you)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)的(de)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)管(guan)理(li)和(he)平(ping)衡(heng)。電(dian)池(chi)塊(kuai)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)由(you)串(chuan)聯(lian)電(dian)池(chi)的(de)數(shu)量(liang)和(he)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)決(jue)定(ding)。單(dan)個(ge)鋰(li)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)一(yi)般(ban)介(jie)於(yu)3.3～3.6V之間，因此相應電池塊的輸出電壓介於30～45V之間。
　　
混合動力汽車驅動需要450V左右的直流電源電壓。為了補償因荷電狀態不同而引起的電池電壓差異
，在電池組和電機驅動裝置之間連接一個DC/DC轉換器。該轉換器還可限流。
　　
為使DC/DC轉換器達到最佳工作狀態
，電池組的電壓應保持在150～300V之間。為此

，需要將5～8個電池塊串聯在一起。
　　
平衡的必要性
一旦電壓超出允許範圍，鋰電池很容易被損壞（見圖1）。如果超出電壓的上限和下限（例如，nanophosphate鋰電池的電壓上限和下限分別為3.6V和2V），電dian池chi就jiu可ke能neng會hui受shou到dao不bu可ke逆ni的de損sun壞huai
，至zhi少shao也ye會hui增zeng加jia電dian池chi的de自zi放fang電dian率lv。在zai相xiang當dang寬kuan的de荷he電dian狀zhuang態tai範fan圍wei內nei，輸shu出chu電dian壓ya可ke以yi保bao持chi穩wen定ding，因yin此ci正zheng常chang情qing況kuang下xia超chao出chu安an全quan範fan圍wei的de可ke能neng性xing比bi較jiao小xiao。但dan是shi
，在zai接jie近jin安an全quan範fan圍wei上shang限xian和he下xia限xian的de區qu域yu
，變bian化hua曲qu線xian非fei常chang陡dou峭qiao。作zuo為wei預yu防fang措cuo施shi，仔zai細xi監jian測ce電dian壓ya水shui平ping非fei常chang必bi要yao。

圖1鋰電池(nanophosphate型)的放電特性

　　
dangdianchidianyajiejinlinjiezhishi，bixulijitingzhifangdianhuochongdian。pinghengdianludegongnengjiushitiaojiexiangyingdianchidedianya
，shiqibaochizaianquanquyu。weiledadaozhegemude，dangdianchizuzhongrenyidianchidedianyayuqitadianchibutongshi，jiubixujiangnengliangzaidianchizhijianjinxingzhuanyi。
　　
傳統的被動平衡方式
在(zai)常(chang)規(gui)電(dian)池(chi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)中(zhong)，每(mei)個(ge)電(dian)池(chi)均(jun)通(tong)過(guo)開(kai)關(guan)與(yu)一(yi)個(ge)負(fu)載(zai)電(dian)阻(zu)相(xiang)連(lian)。被(bei)動(dong)式(shi)平(ping)衡(heng)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)對(dui)指(zhi)定(ding)電(dian)池(chi)單(dan)獨(du)放(fang)電(dian)
，但(dan)這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)隻(zhi)能(neng)在(zai)充(chong)電(dian)模(mo)式(shi)下(xia)抑(yi)製(zhi)電(dian)壓(ya)最(zui)高(gao)的(de)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)上(shang)升(sheng)。為(wei)了(le)限(xian)製(zhi)功(gong)耗(hao)，一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)100mA內的小電流，這可能導致需要數小時才能完成電荷平衡。

主動平衡
xianyouwenxianziliaozhongjieshaolejizhongzhudongdianhepinghengfangfa，zhexiefangfaliyongxunengyuanjianzhuanyinengliang。ruguocaiyongdianrongqizuoweixunengyuanjian，zexuyaoxuduokaiguanyuanjianjiangxunengdianrongyusuoyoudianchilianjie。xiangduieryan，caiyongcichanglaicunchunengliangdexiaolvgenggao，zhezhongdianludehexinqijianshibianyaqi。yingfeilingxiangmuzutongguoyuVOGT電子器件有限公司（VOGT electronic Components GmbH）合作開發出了相應的原型
，它可以用於：
•在電池之間轉移能量
•將多個電池電壓複用，作為基於地電壓的模數轉換輸入
　　
其構造原理是使用反激轉換器（flyback converter）。這種變壓器以磁場存儲能量，在磁芯中有一個空隙
，以提高磁阻，避免磁芯材料磁飽和。
　　
變壓器有兩個不同的繞組：
•主繞組與電池組相連
•次繞組與電池相連

圖2 電池管理模塊主電路

　　
可行的變壓器模型可支持12個電池。其限製因素是可能連接數量。 本文所述的變壓器原型有28個引腳。
　　
開關采用OptiMOS 3係列中的MOSFET，它們具有極低的導通電阻，所產生的傳導損耗可以忽略不計。
　　
每個電池塊由英飛淩的8位微控製器XC886CLM控製，該控製器具有閃存和32KB的數據存儲器；兩個硬件CAN接口支持采用普通汽車控製器局域網（CAN）總線協議進行通信
，降低了處理器的負荷；硬件乘除算法單元（MDU）提高了運算速度。
　　
平衡方式
由you於yu變bian壓ya器qi可ke以yi雙shuang向xiang使shi用yong，我wo們men可ke以yi根gen據ju情qing況kuang采cai用yong兩liang種zhong不bu同tong的de平ping衡heng方fang式shi。控kong製zhi電dian路lu首shou先xian逐zhu個ge檢jian測ce所suo有you電dian池chi的de電dian壓ya，計ji算suan出chu平ping均jun值zhi，然ran後hou找zhao出chu電dian壓ya與yu平ping均jun值zhi偏pian差cha最zui大da的de電dian池chi。如ru果guo該gai電dian池chi的de電dian壓ya低di於yu平ping均jun值zhi，則ze采cai用yong下xia限xian平ping衡heng（bottom-balancing）方法；如果高於平均電壓，則使用上限平衡（top-balancing）方法。
　　
a 下限平衡
圖3顯示了需要采用下限平衡方法的情形

，其中2號電池被確認為電壓最低的電池
，需要補充電量。
　　
閉合主繞組開關，電池組向變壓器充電。然後斷開主繞組開關，閉合相應的次繞組開關（本例中為2號次繞組開關）
，變壓器儲存的能量轉移到指定的電池上。

圖3下限平衡原理

　　
每個周期由2個主動脈衝和1個間隔組成。本例中的周期為40ms，對應的頻率為25kHz。變壓器的設計工作頻率應高於20kHz，以避免由於變壓器磁芯的磁彈性產生的噪聲。
　　
在(zai)某(mou)個(ge)電(dian)池(chi)的(de)荷(he)電(dian)狀(zhuang)態(tai)達(da)到(dao)下(xia)限(xian)時(shi)，下(xia)限(xian)平(ping)衡(heng)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)工(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)。隻(zhi)要(yao)流(liu)出(chu)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)電(dian)流(liu)低(di)於(yu)平(ping)均(jun)平(ping)衡(heng)電(dian)流(liu)
，車(che)輛(liang)就(jiu)可(ke)以(yi)繼(ji)續(xu)行(xing)駛(shi)
，直(zhi)至(zhi)耗(hao)盡(jin)最(zui)後(hou)一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)量(liang)。

b 上限平衡
如(ru)果(guo)某(mou)個(ge)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)高(gao)於(yu)其(qi)他(ta)電(dian)池(chi)

，就(jiu)需(xu)要(yao)將(jiang)多(duo)餘(yu)能(neng)量(liang)從(cong)該(gai)電(dian)池(chi)移(yi)走(zou)，這(zhe)在(zai)充(chong)電(dian)模(mo)式(shi)下(xia)尤(you)其(qi)必(bi)要(yao)。如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)平(ping)衡(heng)功(gong)能(neng)，那(na)麼(me)在(zai)第(di)一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)充(chong)滿(man)後(hou)必(bi)須(xu)立(li)即(ji)停(ting)止(zhi)充(chong)電(dian)。平(ping)衡(heng)功(gong)能(neng)使(shi)得(de)所(suo)有(you)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)維(wei)持(chi)在(zai)同(tong)一(yi)水(shui)平(ping)

，從(cong)而(er)避(bi)免(mian)上(shang)述(shu)情(qing)況(kuang)的(de)發(fa)生(sheng)。
　　
圖4所示的例子說明了上限平衡模式下的能量流動情況。在電壓檢測後
，確認5號電池是電池組中電壓最高的電池。閉合5號次繞組開關，電流由5號電池流向變壓器。由於電感效應，電流隨時間線性增大。鑒於電感是變壓器的固定特性，最大電流值由開關閉合的時間決定。從5號電池中轉移出來的能量被存儲在變壓器的磁場中。斷開5號次繞組開關，閉合主繞組開關，此時變壓器轉入發電機工作模式
，能量通過大型主繞組饋入電池組。

圖4上限平衡原理

　　
上限平衡工作模式下的電流和時序與下限平衡類似，隻是工作次序和電流的流向與之相反。
　　
平衡功率
采用英飛淩E-Cart中的原型配置，平均平衡點六位5A
，比被動方式高50倍，而5A平衡電流在整個電池塊中產生的功耗僅為2W。因此
，這種平衡方式不需要采取專門的冷卻措施，同時改善了係統的能量平衡。
　　
電壓檢測
為了對每個電池的荷電狀態進行管理，每個電池的電壓都要加以測量。由於隻有1號hao電dian池chi處chu於yu微wei控kong製zhi器qi模mo數shu轉zhuan換huan範fan圍wei內nei，因yin此ci不bu能neng直zhi接jie測ce量liang電dian池chi塊kuai中zhong其qi他ta電dian池chi的de電dian壓ya。一yi種zhong可ke能neng的de方fang案an是shi采cai用yong差cha分fen放fang大da器qi陣zhen列lie，但dan這zhe需xu要yao保bao持chi整zheng個ge電dian池chi塊kuai的de電dian壓ya水shui平ping。
　　
下(xia)麵(mian)提(ti)出(chu)一(yi)種(zhong)隻(zhi)需(xu)添(tian)加(jia)少(shao)量(liang)硬(ying)件(jian)就(jiu)可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)所(suo)有(you)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)的(de)方(fang)法(fa)。變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)主(zhu)要(yao)作(zuo)用(yong)是(shi)電(dian)荷(he)平(ping)衡(heng)
，但(dan)同(tong)時(shi)我(wo)們(men)也(ye)可(ke)將(jiang)它(ta)作(zuo)為(wei)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)器(qi)使(shi)用(yong)。在(zai)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)模(mo)式(shi)下(xia)
，變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)反(fan)激(ji)模(mo)式(shi)沒(mei)有(you)被(bei)使(shi)用(yong)。當(dang)S1至SN開kai關guan中zhong的de某mou一yi個ge閉bi合he時shi，所suo接jie通tong的de電dian池chi的de電dian壓ya被bei傳chuan輸shu至zhi變bian壓ya器qi的de所suo有you繞rao組zu。經jing過guo一yi個ge分fen立li濾lv波bo器qi簡jian單dan的de預yu處chu理li，檢jian測ce信xin號hao被bei輸shu入ru至zhi微wei控kong製zhi器qiADC輸入管腳。
　　
S1至SN中的任一開關閉合時所產生的檢測脈衝的持續時間非常短暫
，實際的導通時間可能隻有4μs，因(yin)此(ci)變(bian)壓(ya)器(qi)中(zhong)存(cun)儲(chu)的(de)能(neng)量(liang)並(bing)不(bu)多(duo)。當(dang)該(gai)開(kai)關(guan)斷(duan)開(kai)後(hou)，磁(ci)場(chang)中(zhong)存(cun)儲(chu)的(de)能(neng)量(liang)將(jiang)通(tong)過(guo)主(zhu)晶(jing)體(ti)管(guan)饋(kui)回(hui)整(zheng)個(ge)電(dian)池(chi)塊(kuai)
，因(yin)此(ci)電(dian)池(chi)塊(kuai)的(de)能(neng)量(liang)不(bu)受(shou)影(ying)響(xiang)。對(dui)全(quan)部(bu)電(dian)池(chi)掃(sao)描(miao)一(yi)遍(bian)後(hou)，一(yi)個(ge)掃(sao)描(miao)周(zhou)期(qi)結(jie)束(shu)
，係(xi)統(tong)回(hui)到(dao)初(chu)始(shi)狀(zhuang)態(tai)。
　　
結語
隻(zhi)有(you)采(cai)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)電(dian)池(chi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)，才(cai)能(neng)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)新(xin)型(xing)鋰(li)電(dian)池(chi)的(de)優(you)勢(shi)。主(zhu)動(dong)電(dian)荷(he)平(ping)衡(heng)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)顯(xian)著(zhu)優(you)於(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)被(bei)動(dong)方(fang)式(shi)。對(dui)簡(jian)單(dan)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)創(chuang)造(zao)性(xing)使(shi)用(yong)
，有(you)效(xiao)降(jiang)低(di)了(le)材(cai)料(liao)成(cheng)本(ben)。