過去幾年，鋰離子(Li-Ion)電池在高功率應用的種類增加，例如電動工具、庭院用具、不斷電系統(UPS)、油電混合車等過去多採用鎳氫(NiMH)電池的產品。這項趨勢背後原因包括鋰離子電池電源密度提高、成本降低，以及電子技術提升等。
這些高功率應用案例，係藉由多個電池串聯與並聯來產生高電壓與高電流，而這樣由鋰離子電池組所產生的高電壓與高電流，對電池管理技術而言構成新的挑戰，因為在手機、數位相機等傳統單節或雙節鋰離子電池組中，並無這些問題。對此，本文將探討大量電池系統在管理設計上的重要考量因素，包括電池平衡、開放式感測線偵測、監控晶片通訊、隨機電池連接等。
正視電池平衡 提高使用壽命
在包括多個串聯或並聯的鋰離子電池組內，個別電池的容量、阻抗、電量狀態(SOC)各有微小差異。造成這些差別的原因包括製造誤差、組內電池加熱不平均、耗損等，導致電池組內每顆電池開放迴路電壓不同。
對電池組終端用戶而言，電池電壓不均造成每次充放電週期內的電池容量減少，整體電池壽命也縮短。要解決這項問題，電池管理晶片必須加入線路，平衡電池組中的每顆電池。
電池平衡最常用的兩項演算法為電壓平衡與容量平衡。前者較簡單，只要針對電池組內不同電池增減電荷，直至個別電池的電壓相符。容量平衡則運用各種電量偵測技術，測量每顆電池電量狀態，再增減電荷使個別電池的電壓相符。應用這些演算法的兩項主要技術則為被動式平衡與主動式平衡，前者使用電阻器及金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)開關，讓已知負載透過個別電池讓電壓或容量與其他電池相符。開關與電阻器可內建或外加於晶片，例如德州儀器(TI)的bq77pl910就採用被動洩放式平衡，並使用內建開關。
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| 圖1 被動式平衡下的四顆鋰離子電池示意圖，包括外部電阻與開關(虛線格)。 |
圖1為四顆電池系統，使用外加電阻器與開關，為被動洩放式平衡模式。晶片在系統內定期測量電池電壓，偵測到電池的最低電壓後，再啟動開關，降低其他電池的電壓。外加電阻器與MOSFET導通阻抗則決定峰值平衡電流，藉由MOSFET閘極訊號的脈衝寬度調變(PWM)取得不同平衡電流。被動式平衡的主要優點在於電路與演算法實作簡便，主要缺點則是電阻器發熱造成系統電力耗損。此外，洩放電阻器產生的熱能會影響電壓測量結果，也可能加速電池耗損。
主動式平衡中，運用外加電感器或電容器，將某個電池中過多的電量轉移到電量較低的電池。若使用外部電容器，運作模式與電容幫浦相似。多餘的電量先轉移至外部傳輸電容器，電容器再連接低電量電池以轉移電量。這項技術亦可用於電壓平衡。若使用外部電感器達到主動式平衡，運作模式則類似傳統(升降壓)轉換器，能量暫存於電感器磁場，再轉換至特定電池。
主動式平衡一大優點在於多餘的電量(電壓)不會變成熱能浪費，可有效傳輸至電量(電壓)較低的電池。主要缺點則是零組件數量的增加，每顆電池都需要一個電感器和兩個開關，導致印刷電路板面積增加，且切換穩壓器會釋放電磁輻射，可能產生雜訊，干擾電池電壓測量。
採用監控晶片 偵測開放式感測線
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| 圖2 五顆電池的監測線路示意圖，其中第三顆電池為開放式感測線。 |
大量電池系統的另一項常見考量為偵測開放式感測線。圖2為五顆鋰離子電池組，由晶片監控，通常每顆電池都會連接至簡易RC低通濾波器，以降低電池電壓量測輸入時的雜訊。連接電池正極與晶片的感測線(由RC濾波器組成)可能已經提高阻抗。例如圖2裡除了電池三號外，所有電池皆透過1千歐姆(kΩ)電阻器與晶片相連，阻抗增加可能是因為製造過程中焊接或熔接不良，或是一般電池組運作時造成機械損害。
阻抗增加可能會因電池不再受到監控，進而充電過度而導致危險，故必須偵測危險情況，並採取適當行動，避免傷害系統或用戶。偵測開放式感測線的常見演算法為採用監控晶片，定期將已知負載加諸於個別電池，負載電流通過晶片時接受測量，若與正確感測線阻抗的預設值相符，則可判斷感測線連結運作無誤。
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| 圖3 由兩個晶片監測十顆電池，每一晶片負責五顆。 |
在鋰離子電池組應用中，油電混合車發展相對較晚。此類應用包括數千個串聯或並聯的電池，以達到發動汽車所需的高電壓(450伏特)與高電流。在這類系統中，單一晶片不可能監控整個電池組，因此必須堆疊多個晶片以便監控。晶片之間可以相互溝通，傳輸上下電池資訊。圖3所示則是由兩個晶片監控十顆電池，每一晶片負責五顆電池。當晶片堆疊時，最底部晶片會連結至實際接地系統，而其他所有晶片都會測量下方電池的總電壓。圖3最底部晶片IC1名義上在實際接地與20.5伏特(V)(=5×4.1伏特)之間運作，而上方IC2則在20.5伏特與41伏特之間運作。
多晶片堆疊大抵可分為兩種技術。首先，獨立晶片現有接腳以特別方式組成，不論有無外部零組件皆可傳輸資訊。第二種則採用堆疊通訊專用接腳。晶片若欲在不同電壓內運作，設計晶片之間通訊系統時，須以準位調節器轉譯不同電壓區間的資訊。此時可選擇使用外部耦合電容器的電壓或電流模式訊號。後者優點在於無需外部零組件即可溝通，實作案例為德州儀器的BQ77PL536 IC，在專用接腳之間使用電流模式訊號。此外還可採用客製化、無雜訊與錯誤糾正的通訊協定以改善通訊。
留意隨機電池連接現象
在最終系統內組裝電池組時，會發生隨機電池連接現象。在單節或雙節電池應用中，可透過組裝程序設計，確保電池正負極連接方向一致。但在大量電池串聯或並聯系統中，組裝程序無法保證此事，因晶片內的寄生二極體會在組裝過程中開啟，可能引發電路栓鎖效應，損害晶片與電池，故系統設計必須考量隨機電池連接。
總之，設計大量電池系統須格外謹慎，其中挑戰包括各電池差距、排列組裝、晶片間通訊等。
(本文作者任職於德州儀器)