摘  要： 介绍了一种采用主动平衡方法的电池管理系统，能够准确平衡电压和准确估算充电量，确保系统能充分利用电池组内的储电，因此可以解决电动汽车锂电池的行程里数问题，确保电池更安全可靠，寿命更长，适用于混能及全电动的汽车。
关键词： 电池管理；被动平衡；主动平衡；储电量；补偿

    混能及全电动汽车广受市场欢迎，其增长率更是一直大幅飙升，因此显示汽车电动化的发展即将进入另一个崭新的阶段。
    对于电动汽车来说，电池组是车内最昂贵而稳定性又最成疑问的组件。高性能的电池管理系统可为混能及全电动的汽车提供一个理想的解决方案，解决电池组电量不足的问题。正如Chevy Volt 的设计团队所言：“我们的工程师在研发过程中发现采用电池管理系统可大幅延长电池寿命，确保电池能充分发挥其性能。换言之，电池管理系统是解决电池问题的关键。”
被动平衡解决方案及其相关问题
    电池管理系统的设计要面对许多问题，诸如大量串联的小电池的充电问题以及如何确保电池组内每一枚小电池都不会过量充电等。锂电池对于过压情况极为敏感，过压会降低电池性能，甚至会令电池严重受损，无法再用。不同的电池各有不同的性能参数，因此性能也各不相同。此外，每次重新充电前，不同的电池也各有不同的残余电荷，因此部分电池会较快充满电，以致这些电池会因为出现过压而严重受损，无法再次使用。
    目前有一个方法可以确保电池组内的所有小电池都能充满电，即将电流分流至旁路电阻，称为被动平衡方法。该方法可将不需要的充电电流分流至电阻，让电阻耗散这些电流，以免电池过量充电。这个功率耗散功能可将电池分流出来的电流限定在某一范围内。
    被动平衡方法无法在电池放电时发挥作用，因此必须寻求其他办法。
    即使电池组内的不同小电池之间取得高度的平衡，其储电量也是不尽相同。这个现象称为储电量失衡。即使不同小电池的储电量在开始时完全相同，但由于部分小电池的内部损耗较大，因此到后来它们的实际储电量也会各不相同。此外，同一厂商生产的小电池都各有不同的性能参数，因此厂商通常会严格挑选参数差距最少的小电池放在同一电池组内。但整个测试过程需要花费较多时间，而且不合格的小电池会被筛出，这样会增加厂商的成本负担。随着电池老化，其储电量也会相应递减，令各小电池的参数差距进一步扩大。加上电池组内不同的小电池各有不同的温度梯度，因此小电池的老化程度也各不相同。热量管理技术可以在电池平衡方面发挥关键作用，但引进这种技术会大幅增加成本。
    实际储电量较低而且呈“弱势”的小电池承受最大的放电压力，因此耗电最快，令其充电量比其他强势电池少。经过一段时间的使用之后，这类“弱势”的小电池会较快老化，储电量的跌幅也较大。换言之，这些小电池的寿命会更短，整个电池组的寿命也会因此而缩短。
主动平衡的解决方案
    主动平衡方法可以解决锂电池所面对的问题。主动平衡系统无需先将电池电流分流，然后再将电流耗散，其优胜之处是可以通过直流/直流转换器将电荷传送至电池组内的小电池。无论小电池处于充电、放电还是空闲状态，都可传送电荷，而各小电池之间也可经常保持平衡。由于主动平衡方法的电荷传送效率极高，因此可以提供较高的平衡电流，令电池组内各小电池可以更快地达到平衡，而且充电速度也更高，这是被动平衡方法所无法做到的。
    空闲的电池也会漏电，而且即使不同的小电池之间已达到完全平衡状态，由于温度梯度不同，令各小电池的内部漏电速度各不相同，以致电荷漏失率也各不相同。电池温度每升高10 ℃，漏电率便上升一倍。主动平衡功能可以确保空闲的小电池不断重新寻求平衡。不同小电池之间必须经常保持平衡才可充分利用电池组内的所有储电。
    图1显示了主动平衡方法相比被动平衡方法的优势。由于电池各有不同的储电量，采用被动平衡方法，电池组的总储电量相等于充电时的最高和最低储电量之间的差额。

    整个电池组可以不断放电，直至某一小电池的储电量已降至其最低水平为止，此时其他小电池还有未用的残余电能，因此电池组的实际储电量（充电量）会减少。
    由于主动平衡方法可以在充电时利用高效率的电源转换器传送电荷，因此储电量不同的小电池可完全充满电，而且功率损耗可以减至最少。若采用被动平衡方法，部分电荷会被耗散掉，但主动平衡方法会将这些电荷传送到储电量较大的小电池。放电时情况也大致相同，由于大容量电池的电能可以重新分配到容量较小的电池之内，因此所有小电池都可充分放电，电池组内不会有残余的电能留下。具备主动平衡功能的电池组拥有较大的实际储电量，这方面比被动平衡的电池优胜。
    主动平衡系统的性能取决于平衡电流与电池充电和放电率之间的比率。电池的不平衡率越高而且充电或放电率越大，所需的平衡电流便越高。主动式电池管理系统可以在充电或放电时为小电池之间的储电量差额提供补偿（假设采用的平衡电流恒定不变），图2显示这个差额的补偿数值。

针对电池模块的平衡方法
    电动汽车的电池组一般内含多达几百枚的小电池，全部划分为多个不同的模块。小电池之间与各模块之间都同样必须保持平衡，因为不同模块各有不同参数，不同的温度也会影响性能以及令模块出现不同程度的老化，而且电池组必须定期检查，甚至要不时更换旧模块。
    以上介绍的平衡方法忽略了模块之间互相传送电荷的问题。
    有一种方法可确保模块之间保持平衡，即将每一模块的小电池与邻近模块内的其中一枚小电池连接一起，以便在两者之间建立一条传送电荷的路径。该方法的缺点是效率较低，因为电荷必须先传送至某一小电池，然后再分配给模块内的其他小电池。若电荷要传送到较远的模块，电荷便需要分开多次传送，令效率进一步下降。
美国国家半导体的主动平衡电池管理系统解决方案
    美国国家半导体的主动平衡电池管理系统是一个适用于大型锂电池的全方位系统解决方案。基本上，这是一块印制电路板，其中配置了多颗特殊应用集成电路（ASIC），因此可以提供主动电池平衡、高精度数据采集、保护及完善的电池管理等功能。
    美国国家半导体的电池管理系统采用优化的隔离式电感拓扑结构，可以提供高效率及高电流的电池平衡功能，确保各模块内及各模块之间保持高度平衡。电荷可在同一模块内的任何小电池之间以及在不同模块之间双向传送，这样可将传送过程中的转发次数减至最少，而且小电池之间和模块之间可以同时取得平衡。系统也可通过智能控制算法选择最理想的平衡策略，以便优化系统性能。此外，由于这套系统采用模块式的架构，因此系统的规模具有较大的灵活性。由于一块电路板可以管理多个内含多达14枚小电池的电池模块，因此负责管理这些模块的每一块电路板都可堆叠在一起，以便管理高压电池组。堆叠一起的模块基本上没有数目上的限制，唯一的条件是模块电压不可超过绝缘元器件的最高额定电压。平衡电流的大小取决于所选择的元器件，工程师可以按照需要选择电流大小，以便在成本与性能之间作出适当的取舍，确保两者都符合设计要求。
    除了执行电荷平衡功能之外，电池管理系统还负责全面监控电池组的操作，确保系统能以前所未有的精确度测量电池组内每一小电池的电压。美国国家半导体的模拟前端电路负责平衡电荷，而且在这方面一直发挥关键的作用，但除此之外，模拟前端电路还可保证有关电池组充电量及健康情况的估算数值准确无误。
    电池管理系统在极短时间内完成电池组内所有小电池的电压测量。换言之，整个电池组内所有小电池的测量工作都会同步进行。
    电池管理系统的内部设有多层诊断和故障检测电路，可以检测电池欠压、过压、通信故障、传感器线路开路以及电池过热等故障情况，并向主控制器发送报告。另外，系统还有冗余故障检测电路，可以通过主硬件和固件通道之外的其他通道通报故障情况。有关参数会与储存在固件内的可编程阈值互相比较，内置比较器的独立式故障检波器也会同时监控有关数值。
    每一电路板都配备一个多接点的绝缘CAN总线接口，让电路板可与其他模块及主控制器进行高速通信。电路板也可利用CAN总线执行多种不同的诊断、可编程和可配置功能。
    由于这套电池管理系统能够准确平衡电压和准确估算充电量，因此可确保系统能充分利用电池组内的储电，进一步延长行程里数，而且还可通过先进可靠的“剩余容量估算功能”帮助驾驶者准确预测所余“行程里数”，让他们安心驾驶。
    由于美国国家半导体的电池管理系统具备许多先进功能，因此无论电池处于充电、放电还是空闲状态，这套电池管理系统都可准确控制电池组内各小电池的充电量，有助于大幅提高电池组的安全性和可靠性，以及延长其寿命周期。
    这套电池管理系统可为汽车用大型电池、汽车充电站储电系统和较小型的电池组提供一个先进而有效的解决方案。其独特之处在于一方面适用于大型的电池组，而另一方面又与其他电池管理系统解决方案不同，没有采用旧式小型电池组的设计，因此性能远比其他电池管理系统优胜。