高串聯鋰鐵電池芯之平衡電路研究
林正乾*
國立勤益科技大學電機工程系
摘 要
鋰鐵電池芯間的不一致性會導致鋰鐵電池芯串聯之後電芯提早過充或過 放的現象發生，進而導致電池芯使用壽命大幅降低，電芯電壓平衡電路是主要 解決電芯不一致性的方法。本文深入探討常見之電芯電壓平衡電路，研究各平 衡電路的特性與適用性，進而提出一新型的全域型主動式互補平衡電路。本研 究所設計的平衡電路使用特殊的光繼電器開關元件及電路邏輯，以內部整組串 聯電池組經由隔離型 DC-DC 電源轉換器轉換成適合單電芯之電壓與電流做為 單電芯平衡充電電源，並以此平衡充電電源對串聯電池組內部各電芯來做全域 型互補電路，因隔離型 DC-DC 電源轉換器擁有 80%以上的效率，使用光繼電 器開關元件的切換電路導通阻抗小於 0.3 Ω並且耐流可達 3 A，使得本文所選用 之互補電路能做到高效率及高互補平衡電流，突破以往串聯電池組在串聯電芯 電壓平衡上使用被動電阻式放電效率低的困境。本研究將所開發出之平衡電路 應用在 4 串到 24 串的鋰鐵電池組上，並詳細評估新平衡電路的性能。
關鍵詞：平衡電路，主動式，全域型，光繼電器，鋰鐵電池組。
CELL BALANCE CIRCUIT INVESTIGATION FOR LITHIUM IRON MODULES WITH HIGH NUMBERS OF CELLS IN SERIALS
Jeng-Chyan Muti Lin*
Department of Electrical Engineering National Chinyi University of Technology
Taichung, Taiwan 411, R.O.C.
Key Words: balance circuit, active balance, global balance, DMOS, lith-
ium iron modules.
ABSTRACT
Variations among lithium iron cells could lead to earlier cell over- charging or overdischarging in a lithium iron battery module in a high number of cells in serials. Overcharging or overdischarging will inevi- tably shorten the life cycle of any cell. Cell balance is the main approach to counteract cell inconsistencies. This paper investigated some of the suitable cell balance circuits. Evaluation of the performance and suit- ability of the selected circuits are thoroughly conducted. To improve some of the shortcomings of the selected balance circuits, we propose a new active and global type balance circuit. This new active balance
*通訊作者：林正乾，e-mail: mutilin@ncut.edu.tw
Corresponding author: Jeng-Chyan Muti Lin, e-mail: mutilin@ncut.edu.tw
designed control logics. The single cell with the lowest voltage is com- pensated by the whole module in series via an isolated buck converter, which converts the module voltage into a suitably low voltage to move electrons from the module to a single cell in a global fashion. Due to the high conversion efficiency of the DC-DC converter and high allowable conduction currents of the switching component DMOSs, the new cell balance circuit show high balance efficiency and high balance current at the same time. The new cell balance system therefore outperforms the pas- sive dissipation balance system. This study conducts experiments on various battery modules with serial numbers from 4 to 24. Performance of the current DMOS based cell balance system is evaluated in details in the current paper.
一、背 景
電池是一種將化學能轉成電能的裝置，它的方便性使 其非常普遍的存在於日常生活中，但一般單個電芯的電壓 通常不會超過 5 V，為了能應用在較大功率的場合，必須 將多個電芯串並聯成較大型的蓄電池組。串聯能提高電池 組的額定電壓，而並聯則是增加電池組的容量，然而在實 際的供應負載放電或是由充電器充電時，在一個串聯電池 組中因每個電芯的性能不同，使得性能較差的電芯會較快 達到放電截止電壓或是較易達到充電截止電壓，長久使用 下會令串聯電池組中的每一個電芯電壓極不平均，如四個 電芯串聯而成的 12 V 電池組，四個電芯本應該都是 3 V，
但實際上較接近的情況會是由各個比 3 V 略高或是略低的 電芯組成總電壓為 12 V 之串聯電池組，若持續忽視這樣的 情況，串聯電池組的某幾顆電芯將特別容易過充電或過放 電，而電芯在過充電或過放電時會產生不可逆的極化反 應，將會對電芯造成永久的傷害，輕則使電芯可用蓄電量 減少，重則此顆電芯將宣告再也無法使用。每個電芯的性 能之所以不同，來自於每個電芯的內阻不同及實際可用儲 電量的不同，縱使同一個批號出廠的每個電芯性能接近但 也無法保證完全相同，所以性能相近的串聯電芯電池組，
持續充放電使用下還是會走向每個電芯不平均之結果，更 何況性能相差甚遠之電芯將更快速的走向每個電芯不平均 之結果。有做到單電芯保護的串聯電池組將會因某單個電 芯較快到達截止電壓而跳脫，但是實際上其他電芯還有許 多電量可使用，而沒有做到單電芯保護的串聯電池組，較 快到達截止電壓的單個電芯將因持續使用而發生不可逆的 極化反應，不可逆的極化反應將導致電芯壽命快速終結。
一個串聯電池組因為其中的一個電芯故障而必須更換整組 串聯電池組不會是使用者樂見的事，所以為了確保維持串 聯電池組各電芯電壓的平均性，必須透過串聯電芯電壓平 衡電路，來使串聯電池組的各電芯電壓收斂成一致，藉由 平衡電路的平衡保護措施，使串聯電池組免於因單個電芯 損壞導致整組串聯電池組性能降低或是損壞故障，並且可
確保整組串聯電池組的電量在充放電時有最大使用量，讓 每個電芯皆達到過充截止電壓及過放截止電壓，使整個串 聯電池組系統效率提升。因此維持及保護串聯電池組中的 每個電芯電壓維持一致性，將對於整組串聯電池組的壽命 及效率是非常重要的課題。
為了解決鋰離子電池[1]組各單電壓不平衡之問題，必 須將其電池組做均勻平衡之動作，其目的在於串聯電池組 每一顆電池都為相同電量狀態，當串聯電池組各電池電壓 不同或電量不均勻時，對較高電量或電壓之電池進行較少 能量進行充電，反之對較低電壓或電量之電池進行較高能 量充電，就能達到均勻平衡電池組電芯電壓之目的，以目 前的均勻平衡電池技術，若以平衡機制啟動的時機區分有 主動式技術與被動式技術兩種平衡方式[2-4]，若平衡是以 整串電池或以鄰近電池為目標，則可區分為局部式與全域 式兩種平衡方式，將在以下進行介紹。
1. 被動式平衡與主動式平衡
一般的互補電路分為被動式互補電路及主動式互補 電路兩類[2-4]。被動式平衡方法是較簡單的串聯電芯平衡 電路概念，這種串聯電芯電壓平衡方法是以刪除較高電壓 電芯多餘的能量，使較高電壓電芯得以等待較低電壓電芯 趕上。被動式方法也可以建立在停止對較高電壓電芯的充 電，並將電流分流到較低電壓電芯的概念上，讓較高電壓 電芯停止充電並持續對較低電壓電芯充電，最終可達到串 聯電芯電壓平衡之目的。但一般被動式平衡電路為了電路 成本及簡化電路的考量上，是以耗散較高電壓電芯的能量 以便使較低電壓電芯的電量得以趕上，但使用耗散的方 法，必須在良好的散熱與平衡性能的有效性間取得平衡，
因為較大功率的的電量消耗將增加溫度管理的難度，但通 常使用被動式平衡方法的平衡電路為了使電路成本降低而 不會特別去做熱管理，所以因為熱管理或分流開關耐流的 問題使得平衡電流在設計上最高不會超過數百 mA，並且 因為其是將原本可用之電量因平衡之故耗散或分流掉，低 效率的缺陷將無可避免。主動式平衡方法的概念則是將較
B1
B2 Cell1
Cell2
Cell3
圖1 局部式平衡示意圖
高電壓之電芯補充至較低電壓之電芯，把較低電壓之電芯 電量拉抬至與較高電壓之電芯一致的觀念，同時較高電壓 之電芯將多餘能量藉由儲能元件或是其他轉換方式轉移至 較低電壓之電芯。因主動式平衡方法是以電荷移轉的方式 平衡串聯電芯，而非被動式平衡方法直接將電量消耗或分 流掉，故主動式平衡方法只有能量轉移之損失，效率將與 遠大於被動式平衡方法，一般認為使用主動式平衡方法對 於一個串聯電池組之電芯電壓平衡是較有效的方式，因此 本文將以主動式平衡方法為發展目標。
2. 局部式平衡與全域式平衡比較
平衡電路有兩種不同切換電路的佈局，分別為局部式 與全域式，不同的切換式電路布局將關係到整個平衡方式 的效率及平衡完成時間，鑑別方式為局部式平衡是平衡機 制只在每一個串聯電芯上下間進行平衡，如圖 1 所示，Cell1
與 Cell2藉由 B1 的儲能或能量轉換元件進行電壓平衡，而 Cell2與 Cell3則將藉由 B2 的平衡機制進行平衡，局部式平 衡一般被認為平衡效率較低且平衡完成所需時間較長。假 設電壓差最高電芯恰好位於串聯電池組的頭尾兩端，使用 局部式平衡電路的佈局需藉由中間串聯的每一個電芯間之 儲能或能量轉換元件傳遞能量至較低的電芯，平衡完成時 間將需要很長的時間，且每多一次能量轉移也將增加能量 轉換的損失[2-4]。
全域式平衡切換電路的設計可避免局部式平衡的困 境，藉由全域式平衡電路可以任意直接進行平衡串聯電池 組中電壓差最大之電芯，因全域式平衡是直接截長補短避 免了局部式平衡在較遠距離電芯平衡時，需藉由電芯與電 芯間的儲能或能量轉換元件進行能量轉移及傳遞，可減少 多次能量轉移之損失，使得使用全域式平衡將比局部式平 衡有效率且平衡完成的時間也將大幅減少。圖 2 為全域式 平衡的示意圖，假設如圖 2 由 8 個電芯串聯而成的電池組，
其中最高電壓之電芯為 Cell1，最低電壓之電芯為 Cell8，進 行全域式平衡時首先將開啟 S1與 S2開關，進到平衡系統 的儲能或能量轉換元件，等待儲能或能量轉換元件充電或
Cell1
Cell2
Cell3
Cell4
Cell5
Cell6
Cell7
Cell8
S2
S4
S6
S8
S10
S12
S14
S16
S1
S3
S5
S7
S9
S11
S13
S15
圖2 全域式平衡示意圖
DC Control unit
Cell1
Cell2
Cell3
Cell4
S1
S4
S3
S2
圖3 電阻式平衡示意圖
轉換完成時關閉 S1與 S2開關，再開啟 S15與 S16開關對 Cell8
進行平衡，持續重複平衡充電的動作將可使 Cell1電壓及 Cell8電壓最終收斂成一致，此為典型的全域式平衡方式。
全域式擁有比局部式平衡更高的平衡效率及平衡速度，因 此本文將以全域式平衡為發展目標。
3. 電阻式放電互補電路
電阻式放電平衡電路[4]為使用被動式分流耗散的平 衡方式，因為電路簡易及成本低廉，使得此方法為能見度 最高的平衡方法。如圖 3 顯示了電阻式放電平衡電路的基 本平衡電路及控制架構，首先控制中心必須找尋最高電壓 電芯，並開啟相對應之開關，假設 Cell1是電壓最高的電 芯，則開啟 S1、S2，將 Cell1分流以將多餘的電量經電阻耗 散，而分流後之充電電流會再次回到串聯電池組，將電量 較高的電芯經由電阻式放電平衡，使其等待其他電芯的電 量追上，最終將達到平衡的目的。電阻式平衡在電路設計 上必須特別注意考量所裝置之電阻的阻值，通常設計之平 衡電流僅約幾百 mA，以避免過高的熱量造成系統多餘的
Secondary side
Block - Primary
side
Sn
S2
S1
SP1
S3
SN
S2
S1 S3...
Nn
NP
N2
N1
N3
Cell1
Cell2
Cell3
Celln
I/O FNDI/O ADC in
µC Filter
圖4 Infineone公司所發展之變壓器平衡方法電路架構圖
負擔。電阻式放電平衡電路使用分流耗散的方法僅能適用 於充電時進行平衡，並且平衡效率被認為是所有平衡方法 當中最差，在實際運作上較小的平衡電流對於較大容量的 電池組，平衡時間將無可避免的長，同時必須注意的熱管 理對於整個系統將是額外的負擔。
4. 電容平衡電路
電容平衡電路[4]為使用電容當作主動式平衡電路中 的儲能元件，此電路為主動式平衡方式中較易實現之平衡 方法，將鄰近較高電壓電芯之電量儲存於電容，再將電容 對鄰近較低電壓之電芯充電，即可達到電荷移轉之目的。
但因電容所能儲存之電量相較於電池組的容量太小，平衡 完成所需時間相當長，理論上加大電容量可增加平衡速 度，但增加電容量後所增加的電容體積及電路成本是開發 人員所必須拿捏的困境，而且因為此平衡機制屬局部式平 衡，因此無法達到高串聯電池組快速平衡的目標。
5. 電感平衡電路
電感平衡電路[4]為使用電感當作主動式平衡電路中 的儲能元件，但以電感作為儲能元件與使用電容作為平衡 元件有相同的困境，以尋常的電感量與電芯的容量相比差 距太大，對於平衡助益微乎其微，欲使電感量加大，將增 加電感之體積，能達到快速平衡之電感體積及電路成本將 遠超過平衡效益，並且基於上述理由之外，電感達到穩態 後等效於短路是必須特別被提出的一點，為了避免電感燒 毀必須在平衡電路中額外加入 PWM 控制單元控制電感的 充放電，增加系統架設之難度，本平衡電路也通常以局部 式方法呈現。
6. 電容加電感平衡電路
前人為了將主動式平衡效率及平衡速度提升，提出了 將電容與電感結合之主動式平衡方法，通常較高電壓電芯
S6
S5
S4
S3
S2
IS
IP
S1
S6
5
4
3
2
1
6
5
4
3
2
1 S5
S4
S3
S2
S1
prim prim
Transformer discharge Transformer
charge 6
圖 5 串聯電池組經由變壓器降壓對單一電芯進行平衡充 電的示意圖
S6
S5
S4
S3
S2
I2
I1
S1
S6
5
4
3
2
1
6
5
4
3
2
1 S5
S4
S3
S2
S1
prim prim
6
Transformer discharge Transformer
charge
圖 6 單一電芯經由變壓器升壓對整組串聯電池組進行充 電的示意
先對電感進行升壓儲能後，再切換開關至較低電壓電芯並 對其並聯電容進行充電，反覆進行最終可達平衡之效。當 前最具代表性之產品為德州儀器公司的電池管理 IC 上的 PowerPumpTM Balancing 技術[5]，雖然結合電容加電感可 得到比單獨使用電容或電感還要高的平衡電流，但因為還 是屬於局部式範疇，本文認為平衡速度對大容量的串聯電 池組仍然不能符合需求，欲使平衡電流及平衡速度能夠滿 足大容量的串聯電池組，必須跳脫傳統儲能元件的框架，
思考另外的能量轉換方式。
7. 變壓器組平衡電路
Infineone公司將變壓器組變化結合了開關控制電路開
發完成可隨時進行平衡的方法[6]，圖 4 表明了控制單元、
變壓器組及串聯電池組的電路連接架構。此方法可由整組 串聯電池組經由變壓器降壓對單一電芯進行平衡充電，也 能由單一電芯經由變壓器升壓對整組串聯電池組進行充 電。圖 5 表明了串聯電池組經由變壓器降壓對單一電芯進 行平衡充電的示意圖，圖 6 則是表明了單一電芯經由變壓 器升壓對整組串聯電池組進行充電的示意圖。Infineone 公 司所發展的變壓器組平衡電路可達到約 5 A 的平衡電流，
而且屬於全域式平衡，是現今平衡技術的翹楚。
Cell1
Cell2
Cell3
Cell4
圖7 主動式互補平衡電路圖
二、主動式互補平衡電路設計
本文針對 7 種常見已知的串聯電池平衡電路，探討每 個電路的適用性及特性，基於各式平衡電路的平衡能力不 足以滿足較大容量之串聯電池組，提出了主動式互補平衡 方法，此方法的能量轉換方式是由整個串聯電池組供電給 隔離型降壓式電源轉換器，經由找尋最低電壓之電芯並切 換全域式的切換電路開關對其充電，隔離型降壓式電源轉 換器效率可達 80%以上。平衡電流取決於隔離型降壓式電 源轉換器額定功率及切換開關耐流限制，本文認為此方法 可達到高效率高平衡電流的發展目標，圖 7 為本研究所開 發的主動式互補平衡的電路示意圖。
本主動式互補平衡電路藉由使用特殊的光繼電器開 關元件及電路邏輯，以內部整組串聯電池組經由隔離型
DC-DC 電源轉換器轉換成適合的單電芯之電壓與電流做
為單電芯平衡充電電源，並以此平衡充電電源對串聯電池 組內部各電芯來做全域型互補式自我平衡。因隔離型
DC-DC電源轉換器擁有 80%以上的效率，並且光繼電器開
關元件之平衡開關切換電路導通阻抗小於 0.3 Ω並且耐流 可達 3 A，使得本文所選用之平衡電路能做到高效率及高 平衡電流平衡充電，突破以往串聯電池組在串聯電芯電壓 平衡上的困境。
以下探討如何實現本主動式互補平衡電路，包括全域 式切換開關的建置，隔離型降壓式 DC-DC 電源轉換器的 選用，包括電壓電流功率及不同規格的 DC-DC 電源轉換 器將影響平衡充電的性能。最後將討論平衡判斷及軟體邏 輯，並且將透過人機監控介面展現即時平衡充電及各種平 衡實驗的結果。
1. 全域式切換開關的建置
本文所開發之全域式切換電路是由光繼電器[7]建構 而成，本文所選用之光繼電器最大耐流可達 3 A，體積小 適合建置在高串聯大容量之電池組的平衡系統中，圖 8 為 光繼電器等效內部電路圖，腳 1 為發光二極體陽極，腳 2 為發光二極體陰極，腳 3、4 為 MOSFET 之導通腳，腳 1、
4 3
1 2
1. LED Anode 2. LED Cathode 3, 4. Drain (MOS FET)
圖8 光繼電器等效內部電路圖
+Vout +Vin
-Vin
-Vout Single Output
PWM
Controller Isolation Reference
&
Error AMP 圖9 隔離型DC-DC電源轉換器等效圖
圖10 隔離型DC-DC電源轉換器外觀圖
2為用來對光繼電器進行開關之訊號腳位，藉由 6 mA~50 mA之電流點亮發光二極體可使腳 3、腳 4 導通，非常適合 由 MCU 直接控制開啟或關閉，使用光繼電器建置平衡切 換電路將使本文所開發之平衡電路體積比使用其他開關元 件大幅縮小。
2. 隔離型DC-DC電源轉換器
本文所開發之主動式互補平衡方法之能量轉換關鍵 來自於隔離型降壓式 DC-DC 電源轉換器[8]，本文所選用 之隔離型 DC-DC 電源轉換器為 15 W，將串聯電池組總電 壓轉換為 5 V/3 A，依據串聯總電壓的不同至 12~72 V 市面 上都有現貨可挑選。圖 9 為隔離型 DC-DC 電源轉換器等 效圖，圖 10 為隔離型 DC-DC 電源轉換器外觀圖，轉換效 率可達最高可達 82%，模組化的設計使得非常適合建置於 PCB版上，本文所開發之主動式互補平衡電路因使用了隔 離型DC-DC電源轉換器得以高效率的持續以3 A進行電芯 電壓平衡。
圖11 平衡判斷基本流程圖
3. 平衡判斷及軟體邏輯
本文所開發之主動互補式平衡電路的平衡判斷，是由 電池管理系統的高串聯電芯電壓量測電路持續不斷的偵測 每個電芯電壓，抓出最高及最低之電芯電壓的電壓差是否 過大，當達到判定標準時即進行對最低電壓電芯平衡充電 之動作，軟體判斷應該避免串聯電池組在殘餘電量過低時 進行平衡程序，因為此時執意進行平衡程序會使電池組的 總電壓急速下降，執意進行平衡充電將會加速達到截止電 壓。此外，當最低電芯經平衡充電時，必須設定平衡充電 完成跳脫條件判斷，如到達串聯電芯電池組內電壓最高的 電芯水平時或是電壓高於其他電芯電壓時，則達到完成平 衡充電之條件，將平衡充電關閉，繼續尋找下次需要被平 衡充電的電芯，更聰明的平衡判斷邏輯可使平衡過程更有 效率及加快平衡完成時間，但反之不好的平衡判斷邏輯也 可能使電池組受到傷害，圖 11 為平衡判斷基本流程圖。
4. 平衡電路實驗
本文提出新的平衡方法為利用光繼電器建置全域式 的切換開關，並藉由隔離型 DC-DC 電源轉換器，對最低 電量之電芯平衡充電，為了驗證這種平衡方式的平衡效 果，本文對 8 個電芯串聯而成之 24 V 鋰鐵電池組裝置主動 式互補平衡電路及進行實驗，裝置在 24 V 串聯電池組的主 動式互補平衡電路是以 1 個隔離型降壓式 DC-DC 電源轉 換器對 8 個電芯進行平衡任務，以 1 對 8 的方式為一個平 衡電路模組的方式可避免電芯數目過多時平衡完成所需時 間過長，也因隔離型降壓式 DC-DC 電源轉換器單價成本 較高，本文衡量電路成本與平衡效率決定以此比例配置平
圖12 24 V主動式互補平衡電路
圖13 24 V串聯電池組之即時電壓監控系統
衡電路，並且模組化後更易於在更高電壓之串聯電芯電池 組中裝置主動式互補平衡電路。
實驗方式為對串聯電池組進行充放電實驗，對照組為 充放電時沒有裝置主動式互補平衡電路，實驗組則是充放 電 時 有 裝 置 主 動 式 互 補 裝 置 平 衡 電 路 ， 實 驗 過 程 由
LABVIEW 所撰寫之監控系統進行全程監控，可即時顯示
每個電芯的電壓值及電壓趨勢圖，將兩組充放電趨勢圖對 照可得到裝置主動式互補平衡電路與沒有裝置主動式互補 平衡電路的差異，圖 12 為 24 V 主動式互補平衡電路，圖 13為 24 V 串聯電池組之即時電壓監控系統，左上方有 8 個串聯電芯即時電壓值及各個電芯之即時電壓量化後的長 條圖，電芯即時電壓長條圖由藍色轉變為綠色表示為此電 芯正在進行平衡充電任務，24 V 之即時電壓監控系統的下 方為顯示 8 個電芯的電壓歷程趨勢圖。
對由 8 個電芯串聯而成之 24 V 串聯電池組進行放電實 驗，對照組為沒有裝置主動式平衡互補電路之電池組，實 驗組為有主動式平衡互補電路之電池組，圖 14 為未裝置主 動式平衡互補電路之 24 V 串聯電池組放電電壓趨勢圖，由 圖 14 可得知未裝置主動式平衡互補電路之 24 V 串聯電池 組，在進行放電時，少數較差的電芯會較快到達放電截止 電壓，但大多數的電芯仍還有許多可用的電量，在有裝置 保護電路的串聯電池組，會因為某一個電芯快速到達放電
圖14 未裝置平衡電路之24 V串聯電池組放電電壓趨勢圖
圖15 有裝置平衡電路之24 V串聯電池組放電電壓趨勢圖
截止電壓而與負載跳脫，而沒有裝置保護電路的串聯電池 組，較快到達截止電壓之電芯的壽命很可能較快終結。圖 15為有裝置主動式平衡互補電路之 24 V 串聯電池組放電 電壓趨勢圖，由圖 15 可得知有裝置主動式平衡互補電路之 24 V串聯電池組，在進行放電時可使所有電芯幾乎一起到 達截止電壓，並且延長可用電量，由此可知在串聯電池組 裝置本文所開發之主動式互補平衡電路可使整體效率大幅 提升。
在由 8 個電芯串聯而成之 24 V 串聯電池組放電後，接 著進行充電實驗，圖 16 為未裝置平衡電路之 24 V 串聯電 池組充電電壓趨勢圖，圖 17 為有裝置平衡電路之 24 V 串 聯電池組充電電壓趨勢圖，由圖 16 可知沒有裝置主動式平 衡互補電路之串聯電池組在放電後，各個電芯電壓及不平 均，雖然充電時最終能一起到達同一水平，但實際上狀況 較差之電芯的充電量與狀況較好之電芯的充電量一致而沒 有特別去補充較差之電芯的情況下，在下次的放電歷程還 是會走向如圖 14 之結果。由圖 17 可得知有裝置主動式平 衡互補電路的串聯電池組在放電後，各電芯電壓會較一 致，充電時又有特別去補充狀況較差之電芯，較能確保所 有電芯一起充飽，且因各個電芯性能及殘餘電量不相同，
未裝置主動式平衡互補電路之串聯電池組在進行充電時，
很可能到達充電截止電壓時，多數的電芯仍未完全充飽，
造成實際充電電量較少，而有裝置主動式平衡互補電路的 串聯電池組，較能保證到達各電芯一起到達充電截止電 壓，使得實際充電電量較多。由充電實驗可知，一個好的 平衡電路可幫助串聯電池組在充電時有較好的充電效率，
並且有助於下次放電時有較好的放電歷程。
圖16 未裝置平衡電路之24 V串聯電池組充電電壓趨勢圖
圖17 有裝置平衡電路之24 V串聯電池組充電電壓趨勢圖
三、在電池管理系統上實現主動式 平衡互補電路
本文探討了各種平衡電路並且深入探討不同平衡電 路的適用性，在評估多種平衡電路後，我們利用光繼電器 及隔離型降壓式 DC-DC 電源轉換器發展出自己的主動式 平衡互補電路，依靠光繼電器具有高達 3 A 的耐流、體積 小、價格便宜的優勢，以及隔離型 DC-DC 電源轉換器具 有高達 82%的能源轉換效率，使得本文所發展之主動式平 衡互補電路能達到高效率高平衡電流的發展目標，本文將 主動式平衡互補電路實現在 12-72 V 的值於微控制之電池 管理系統上，並且在實際使用上得到了令人滿意的結果，
本文所開發之主動式平衡互補電路是以 1 個隔離型降壓式
DC-DC電源轉換器對應至 8 個電芯為一個基本平衡電路模
組，但在較少電芯數如由 4 個電芯串聯而成的 12 V 串聯電 池組系統上是由 1 對 4 的形式實現平衡電路，所以平衡電 路模組會依據實際使用情況調整對應數量，因此 12 V~
24 V 之電池管理系統只需一個主動式平衡互補電路模 組，48 V~60 V 電壓量測系統需要 2 個主動式平衡互補電 路模組，最後 72 V 之電池管理系統上則是配置了 3 個平衡 電路模組，將平衡電路模組化有助於加快平衡速度在較高 串聯數之電池組上，但必須注意的是主動式平衡互補電路 模組與模組間也必須要被平衡，利用軟體邏輯的判斷使模 組與模組間在電壓差過大時必須停止較高電壓那端的平 衡，圖 18、20、22、24、26 為裝置主動式平衡互補電路之
12 V~72 V電池管理系統。圖 19、21、23、25、27 為各電
池管理系統上之即時電壓顯示系統，其上可清楚見到各電
圖18 4組電芯串聯而成之12 V電池管理系統
圖19 12 V電池管理系統之即時電壓顯示系統
圖20 8組電芯串聯而成之24 V電池管理系統
圖21 24 V電池管理系統之即時電壓顯示系統
圖22 16組電芯串聯而成之48 V電池管理系統
圖23 48 V電池管理系統之即時電壓顯示系統
圖24 20組電芯串聯而成之60 V電池管理系統
圖25 60 V電池管理系統之即時電壓顯示系統
圖26 24組電芯串聯而成之72 V搭配多工器控制的電池 管理系統
圖27 72 V電池管理系統之即時電壓顯示系統
池管理系統上之各主動式平衡互補電路模組平衡後之結 果。
四、結 論
本文開發完成串聯電池主動式互補平衡電路，達成高 效率高平衡電流之目標，並且與已知各種不同串聯電池平 衡電路比較，平衡完成速度將提高 10 倍以上。本研究以光 繼電器建置全域式切換開關，以隔離型降壓式 DC-DC 電 源轉換器做為能源轉換及平衡充電電源，可達成平衡電流 最高 3 A 及能源轉換效率最高 82%的結果，經實驗證實裝 置主動式互補平衡電路後，本研究解決了串聯電池組長久 以來使用的困境，可避免較弱電芯較易過充或過放之可 能，並可使電池組使用壽命及可靠度大幅增加，讓整組串
聯電池組電壓同時到達充電截止及同時到達放電截止，大 幅增加串聯電池組可用電量以及使用效率。
誌 謝
本研究承蒙國科會產學合作研究計畫，計畫編號 NSC
100-2622-E-167-006-CC3，與財團法人金屬工業研究發展
中心能源設備與精敏系統設備處晶片應用專案推動小組轉 委託學術界計畫共同補助完成，謹此致謝。
參考文獻
1. 黃可龍、王兆翔和劉素琴，鋰離子電池原理與技術，五 南圖書出版股份有限公司，臺北 (2010)。
2. 洪瑋，「串聯電源模組之電池平衡充電」，碩士論文，國 立中山大學電機工程學系研究所，高雄 (2010)。
3. Wang, L., Wang, L., Liao, C., and Liu, J., “Research on Battery Balance System Applied on HEV,” Proceedings of the 5th IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Dearborn, MI, pp. 1788-1791 (2009).
4. Cao, J., Schofield, N., and Emadi, A., “Battery Balancing Methods: A Comprehensive Review,” Proceedings of the 2008 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Harbin, China, pp. 1-6 (2008).
5. Moran, J., “PowerPump™ Balancing,” Texas Instruments Application Report, SLUA524A (2009).
6. Rößler, W., “Boost Battery Performance with Active Charge- Balancing,” EE Times-Asia, pp. 1-3 (2008).
7. LT218 Datasheet, Letex Inc.
8. FCWS Series Datasheet, DANUBE Inc.
2012年 02 月 29 日 收稿 2012年 05 月 03 日 初審 2012年 07 月 02 日 複審 2012年 07 月 04 日 接受
