摘  要： 介紹了一種采用主動(dòng)平衡方法的電池管理系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確平衡電壓和準(zhǔn)確估算充電量,，確保系統(tǒng)能充分利用電池組內(nèi)的儲(chǔ)電,，因此可以解決電動(dòng)汽車(chē)鋰電池的行程里數(shù)問(wèn)題，確保電池更安全可靠,，壽命更長(zhǎng)，適用于混能及全電動(dòng)的汽車(chē),。
關(guān)鍵詞： 電池管理,；被動(dòng)平衡,；主動(dòng)平衡；儲(chǔ)電量,；補(bǔ)償

    混能及全電動(dòng)汽車(chē)廣受市場(chǎng)歡迎,，其增長(zhǎng)率更是一直大幅飆升，因此顯示汽車(chē)電動(dòng)化的發(fā)展即將進(jìn)入另一個(gè)嶄新的階段,。
    對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō),，電池組是車(chē)內(nèi)最昂貴而穩(wěn)定性又最成疑問(wèn)的組件。高性能的電池管理系統(tǒng)可為混能及全電動(dòng)的汽車(chē)提供一個(gè)理想的解決方案,，解決電池組電量不足的問(wèn)題,。正如Chevy Volt 的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)所言：“我們的工程師在研發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采用電池管理系統(tǒng)可大幅延長(zhǎng)電池壽命，確保電池能充分發(fā)揮其性能,。換言之,，電池管理系統(tǒng)是解決電池問(wèn)題的關(guān)鍵。”
被動(dòng)平衡解決方案及其相關(guān)問(wèn)題
    電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要面對(duì)許多問(wèn)題,，諸如大量串聯(lián)的小電池的充電問(wèn)題以及如何確保電池組內(nèi)每一枚小電池都不會(huì)過(guò)量充電等,。鋰電池對(duì)于過(guò)壓情況極為敏感，過(guò)壓會(huì)降低電池性能,，甚至?xí)铍姵貒?yán)重受損,，無(wú)法再用。不同的電池各有不同的性能參數(shù),，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(huì)較快充滿(mǎn)電，以致這些電池會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)過(guò)壓而嚴(yán)重受損,，無(wú)法再次使用,。
    目前有一個(gè)方法可以確保電池組內(nèi)的所有小電池都能充滿(mǎn)電，即將電流分流至旁路電阻,，稱(chēng)為被動(dòng)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(guò)量充電,。這個(gè)功率耗散功能可將電池分流出來(lái)的電流限定在某一范圍內(nèi)。
    被動(dòng)平衡方法無(wú)法在電池放電時(shí)發(fā)揮作用,，因此必須尋求其他辦法,。
    即使電池組內(nèi)的不同小電池之間取得高度的平衡，其儲(chǔ)電量也是不盡相同。這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為儲(chǔ)電量失衡,。即使不同小電池的儲(chǔ)電量在開(kāi)始時(shí)完全相同,，但由于部分小電池的內(nèi)部損耗較大，因此到后來(lái)它們的實(shí)際儲(chǔ)電量也會(huì)各不相同,。此外,，同一廠商生產(chǎn)的小電池都各有不同的性能參數(shù)，因此廠商通常會(huì)嚴(yán)格挑選參數(shù)差距最少的小電池放在同一電池組內(nèi),。但整個(gè)測(cè)試過(guò)程需要花費(fèi)較多時(shí)間,，而且不合格的小電池會(huì)被篩出，這樣會(huì)增加廠商的成本負(fù)擔(dān),。隨著電池老化,，其儲(chǔ)電量也會(huì)相應(yīng)遞減，令各小電池的參數(shù)差距進(jìn)一步擴(kuò)大,。加上電池組內(nèi)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(shù)可以在電池平衡方面發(fā)揮關(guān)鍵作用,，但引進(jìn)這種技術(shù)會(huì)大幅增加成本。
    實(shí)際儲(chǔ)電量較低而且呈“弱勢(shì)”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(qiáng)勢(shì)電池少。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用之后,，這類(lèi)“弱勢(shì)”的小電池會(huì)較快老化,，儲(chǔ)電量的跌幅也較大。換言之,，這些小電池的壽命會(huì)更短,，整個(gè)電池組的壽命也會(huì)因此而縮短。
主動(dòng)平衡的解決方案
    主動(dòng)平衡方法可以解決鋰電池所面對(duì)的問(wèn)題,。主動(dòng)平衡系統(tǒng)無(wú)需先將電池電流分流,，然后再將電流耗散，其優(yōu)勝之處是可以通過(guò)直流/直流轉(zhuǎn)換器將電荷傳送至電池組內(nèi)的小電池,。無(wú)論小電池處于充電,、放電還是空閑狀態(tài)，都可傳送電荷,，而各小電池之間也可經(jīng)常保持平衡,。由于主動(dòng)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(nèi)各小電池可以更快地達(dá)到平衡,，而且充電速度也更高，這是被動(dòng)平衡方法所無(wú)法做到的。
    空閑的電池也會(huì)漏電,，而且即使不同的小電池之間已達(dá)到完全平衡狀態(tài),，由于溫度梯度不同，令各小電池的內(nèi)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(dòng)平衡功能可以確?？臻e的小電池不斷重新尋求平衡。不同小電池之間必須經(jīng)常保持平衡才可充分利用電池組內(nèi)的所有儲(chǔ)電,。
    圖1顯示了主動(dòng)平衡方法相比被動(dòng)平衡方法的優(yōu)勢(shì),。由于電池各有不同的儲(chǔ)電量，采用被動(dòng)平衡方法,，電池組的總儲(chǔ)電量相等于充電時(shí)的最高和最低儲(chǔ)電量之間的差額,。

    整個(gè)電池組可以不斷放電，直至某一小電池的儲(chǔ)電量已降至其最低水平為止,，此時(shí)其他小電池還有未用的殘余電能,，因此電池組的實(shí)際儲(chǔ)電量（充電量）會(huì)減少。
    由于主動(dòng)平衡方法可以在充電時(shí)利用高效率的電源轉(zhuǎn)換器傳送電荷,，因此儲(chǔ)電量不同的小電池可完全充滿(mǎn)電,，而且功率損耗可以減至最少。若采用被動(dòng)平衡方法,，部分電荷會(huì)被耗散掉,，但主動(dòng)平衡方法會(huì)將這些電荷傳送到儲(chǔ)電量較大的小電池。放電時(shí)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(nèi),，因此所有小電池都可充分放電，電池組內(nèi)不會(huì)有殘余的電能留下,。具備主動(dòng)平衡功能的電池組擁有較大的實(shí)際儲(chǔ)電量,，這方面比被動(dòng)平衡的電池優(yōu)勝。
    主動(dòng)平衡系統(tǒng)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(dòng)式電池管理系統(tǒng)可以在充電或放電時(shí)為小電池之間的儲(chǔ)電量差額提供補(bǔ)償（假設(shè)采用的平衡電流恒定不變）,，圖2顯示這個(gè)差額的補(bǔ)償數(shù)值,。

針對(duì)電池模塊的平衡方法
    電動(dòng)汽車(chē)的電池組一般內(nèi)含多達(dá)幾百枚的小電池，全部劃分為多個(gè)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?yàn)椴煌K各有不同參數(shù)，不同的溫度也會(huì)影響性能以及令模塊出現(xiàn)不同程度的老化，而且電池組必須定期檢查,，甚至要不時(shí)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(wèn)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(nèi)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(diǎn)是效率較低,，因?yàn)殡姾杀仨毾葌魉椭聊骋恍‰姵?，然后再分配給模塊內(nèi)的其他小電池。若電荷要傳送到較遠(yuǎn)的模塊,，電荷便需要分開(kāi)多次傳送,，令效率進(jìn)一步下降。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的主動(dòng)平衡電池管理系統(tǒng)解決方案
    美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的主動(dòng)平衡電池管理系統(tǒng)是一個(gè)適用于大型鋰電池的全方位系統(tǒng)解決方案,?；旧希@是一塊印制電路板,，其中配置了多顆特殊應(yīng)用集成電路（ASIC）,，因此可以提供主動(dòng)電池平衡、高精度數(shù)據(jù)采集,、保護(hù)及完善的電池管理等功能。
    美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的電池管理系統(tǒng)采用優(yōu)化的隔離式電感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，可以提供高效率及高電流的電池平衡功能,，確保各模塊內(nèi)及各模塊之間保持高度平衡。電荷可在同一模塊內(nèi)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(guò)程中的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)減至最少,，而且小電池之間和模塊之間可以同時(shí)取得平衡。系統(tǒng)也可通過(guò)智能控制算法選擇最理想的平衡策略,，以便優(yōu)化系統(tǒng)性能,。此外，由于這套系統(tǒng)采用模塊式的架構(gòu),，因此系統(tǒng)的規(guī)模具有較大的靈活性,。由于一塊電路板可以管理多個(gè)內(nèi)含多達(dá)14枚小電池的電池模塊，因此負(fù)責(zé)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(méi)有數(shù)目上的限制，唯一的條件是模塊電壓不可超過(guò)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(dāng)?shù)娜∩幔_保兩者都符合設(shè)計(jì)要求,。
    除了執(zhí)行電荷平衡功能之外,，電池管理系統(tǒng)還負(fù)責(zé)全面監(jiān)控電池組的操作，確保系統(tǒng)能以前所未有的精確度測(cè)量電池組內(nèi)每一小電池的電壓,。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的模擬前端電路負(fù)責(zé)平衡電荷,，而且在這方面一直發(fā)揮關(guān)鍵的作用，但除此之外,，模擬前端電路還可保證有關(guān)電池組充電量及健康情況的估算數(shù)值準(zhǔn)確無(wú)誤,。
    電池管理系統(tǒng)在極短時(shí)間內(nèi)完成電池組內(nèi)所有小電池的電壓測(cè)量。換言之,，整個(gè)電池組內(nèi)所有小電池的測(cè)量工作都會(huì)同步進(jìn)行,。
    電池管理系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)有多層診斷和故障檢測(cè)電路，可以檢測(cè)電池欠壓,、過(guò)壓,、通信故障、傳感器線路開(kāi)路以及電池過(guò)熱等故障情況,，并向主控制器發(fā)送報(bào)告,。另外，系統(tǒng)還有冗余故障檢測(cè)電路,，可以通過(guò)主硬件和固件通道之外的其他通道通報(bào)故障情況,。有關(guān)參數(shù)會(huì)與儲(chǔ)存在固件內(nèi)的可編程閾值互相比較，內(nèi)置比較器的獨(dú)立式故障檢波器也會(huì)同時(shí)監(jiān)控有關(guān)數(shù)值,。
    每一電路板都配備一個(gè)多接點(diǎn)的絕緣CAN總線接口,，讓電路板可與其他模塊及主控制器進(jìn)行高速通信。電路板也可利用CAN總線執(zhí)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(tǒng)能夠準(zhǔn)確平衡電壓和準(zhǔn)確估算充電量，因此可確保系統(tǒng)能充分利用電池組內(nèi)的儲(chǔ)電,，進(jìn)一步延長(zhǎng)行程里數(shù),，而且還可通過(guò)先進(jìn)可靠的“剩余容量估算功能”幫助駕駛者準(zhǔn)確預(yù)測(cè)所余“行程里數(shù)”，讓他們安心駕駛,。
    由于美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的電池管理系統(tǒng)具備許多先進(jìn)功能,，因此無(wú)論電池處于充電、放電還是空閑狀態(tài),，這套電池管理系統(tǒng)都可準(zhǔn)確控制電池組內(nèi)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(zhǎng)其壽命周期,。
    這套電池管理系統(tǒng)可為汽車(chē)用大型電池,、汽車(chē)充電站儲(chǔ)電系統(tǒng)和較小型的電池組提供一個(gè)先進(jìn)而有效的解決方案,。其獨(dú)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(tǒng)解決方案不同,，沒(méi)有采用舊式小型電池組的設(shè)計(jì),，因此性能遠(yuǎn)比其他電池管理系統(tǒng)優(yōu)勝。