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yu3.3～3.6V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

　　
當(dang)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)接(jie)近(jin)臨(lin)界(jie)值(zhi)時(shi)，必(bi)須(xu)立(li)即(ji)停(ting)止(zhi)放(fang)電(dian)或(huo)充(chong)電(dian)。平(ping)衡(heng)電(dian)路(lu)的(de)功(gong)能(neng)就(jiu)是(shi)調(tiao)節(jie)相(xiang)應(ying)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)
，使(shi)其(qi)保(bao)持(chi)在(zai)安(an)全(quan)區(qu)域(yu)。為(wei)了(le)達(da)到(dao)這(zhe)個(ge)目(mu)的(de)

，當(dang)電(dian)池(chi)組(zu)中(zhong)任(ren)一(yi)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)與(yu)其(qi)他(ta)電(dian)池(chi)不(bu)同(tong)時(shi)，就(jiu)必(bi)須(xu)將(jiang)能(neng)量(liang)在(zai)電(dian)池(chi)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)轉(zhuan)移(yi)。
　　
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yong100mA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
現xian有you文wen獻xian資zi料liao中zhong介jie紹shao了le幾ji種zhong主zhu動dong電dian荷he平ping衡heng方fang法fa，這zhe些xie方fang法fa利li用yong蓄xu能neng元yuan件jian轉zhuan移yi能neng量liang。如ru果guo采cai用yong電dian容rong器qi作zuo為wei蓄xu能neng元yuan件jian
，則ze需xu要yao許xu多duo開kai關guan元yuan件jian將jiang蓄xu能neng電dian容rong與yu所suo有you電dian池chi連lian接jie。相xiang對dui而er言yan
，采cai用yong磁ci場chang來lai存cun儲chu能neng量liang的de效xiao率lv更geng高gao，這zhe種zhong電dian路lu的de核he心xin器qi件jian是shi變bian壓ya器qi。英ying飛fei淩ling項xiang目mu組zu通tong過guo與yuVOGT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。
　　
xiamiantichuyizhongzhixutianjiashaoliangyingjianjiukeyijiancesuoyoudianchidianyadefangfa。bianyaqidezhuyaozuoyongshidianhepingheng
，dantongshiwomenyekejiangtazuoweiduolufuyongqishiyong。zaidianyajiancemoshixia，bianyaqidefanjimoshimeiyoubeishiyong。dangS1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(qi)ADC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)。