隨著可攜式設備，如可攜式電動工具、掌上型電腦和智慧型手機的廣泛使用，體積小、重量輕的各類電池，如鉛酸、鎳氫電池和鋰離子電池(LiB)也因而受到廣泛研究和應用。
與其他材料電池相比，鋰離子電池具較高的額定電壓(3.4～4.2伏特)和能量密度，因此透過串聯連接數量較少的鋰離子電池即可輕鬆實現高電壓和高容量。但是，鋰離子電池具有一些缺陷，例如在最壞情況下，由於過度充電、溫度過高和外界影響而引起爆炸；或者由於鋰電池過度放電而引起功能降低，以及電池容量失衡或其他電芯失衡問題而引起電池工作時間減少。為避免上述缺陷，鋰離子電池內部必須增加保護電路。此外，工程師也須使用電芯平衡(Cell Balance, CB)電路解決電芯失衡問題。
本篇文章將解釋導致電芯失衡問題的原因，以及能夠處理這些問題的解決方案，並描述每個解決方案的利與弊。
主/被動電芯平衡改善鋰電池失衡
電芯失衡指每個電池的容量變得不同。這通常是由電池的物理和電學特性容差造成。具體來說，多節串聯電池中的電芯失衡是由容量劣化率的微小不匹配和大批量生產中，等效並聯連接到電池的內部電阻或自放電電阻，以及周邊電路配置引起。雖然隨著電池製造技術的提高，容量劣化率和內部電阻得到很好的控制，但隨著時間的推移，微小不匹配效應將逐漸增加並影響電池的性能。
圖1顯示一組電池組在滿充電和全放電狀態下的電量情況，其中三個電池串聯連接。保護開關被設置在電池間，外部配置有一個充電器和負載，並由保護積體電路(IC)控制。假設該結構中任意一個電池的容量不均勻，且電池組與一個充電器相連接，如圖1(a)所示。
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| 圖1 完全充電(a)及完全放電(b)狀態下的典型電池組電路圖及電池容量狀態 |
由於充電過程完成後，最低容量的電池無法完全充電，直到總電池電壓等於充電器的輸出電壓，或在一個或多個電池進到過度充電狀態的情況下，保護積體電路可關斷保護開關。另外，在放電狀態下，電池組的執行時間受最低容量電池限制，亦即該電池在電芯失衡狀態下無法被充分利用，如圖1(b)所示。為防止發生電芯失衡，需要一個電路，即「電芯平衡電路」。
電芯平衡電路的基本概念是使每個電池的能量相等。可根據的電池類型與功耗，將電芯平衡劃分成兩種類型--被動電芯平衡和主動電芯平衡。被動電芯平衡的方法是消耗電池能量，使所有電池的電壓相等；主動電芯平衡的方法則是使用低功耗電容或電感重新分配電池間能量。
被動電芯平衡用於低功耗鋰電池應用
被動電芯平衡的基本結構是使用一個與電池並聯的電阻，稱為「固定電阻電芯平衡方法」；或使用一個與電池相連的電阻和開關，稱為「電阻開關電芯平衡方法」，如圖2所示。
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| 圖2 典型被動電芯平衡電路，固定電阻(左)和電阻開關(右) |
固定電阻電芯平衡方法其中一個基本作用是使用電阻從最高電壓電池中消耗能量，直到電池電壓等於最低電壓電池的電壓，其中，由電阻消耗的電流被稱為流失電流(Bleeding Current)。
固定電阻電芯平衡是目前所有電芯平衡方法中最簡單的，但其功率損耗嚴重，因此很少被採用。
電阻開關電芯平衡方法，係在電阻和電池間設置一個開關，用以降低功耗。這種方式具有成本低、易於實施及可靠性良好等優勢。但是，由於電阻的功耗，工程師須考慮熱管理，因此流失電流一般限於50毫安培以下。
請注意，無論採用固定電阻電芯平衡方法或電阻開關電芯平衡方法，總電芯平衡時間會隨流失電流降低而增加。由於上述兩種方法的特性，被動電芯平衡主要用於低功耗的鋰離子電池應用中，如可攜式工具、電動自行車等。
主動電芯平衡效率較高
主動電芯平衡可分為電容穿梭(Capacitive Shuttle)電芯平衡、電感穿梭(Inductive Shuttle)電芯平衡與單獨充電(Individual Charging)電芯平衡方法。以下將一一說明。
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圖3顯示一個配有單個和多個電容的電容穿梭電芯平衡電路，以下簡稱為「電容電芯平衡」。電容電芯平衡由一個或多個電容和多個開關組成，實現電池間的能量交換。其基本操作中的一個概念是，具有最高或更高電壓電池的能量被轉移到穿梭電容(Shuttle Capacitor)，然後穿梭電容的能量被再次傳送到具有最低或較低電壓的電池，從而實現補充能量的再分配。
基於上述操作理念，如果圖4(a)中BAT1的電壓高於其他電池，T1期間，Q1導通；TCHG期間，BAT1的能量被存儲到CSHUTTLE，其中形成電流波形iBAL，如圖4(b)所示。T2期間，Q1關斷，Q2導通，因此，TDSG期間，BAT1的能量被轉移到BAT2，其中形成電流波形iBAL。
平均平衡電流取決於電池和穿梭電容之間的電壓差和等效串聯電阻(ESR)，是時間常量，TCHG由穿梭電容和ESR得出。電壓差越低或總時間週期T1和T2越長，平均平衡電流越小。通常情況下，總電芯平衡時間會比其他主動電芯平衡方法長。
假定與時間常數相比，T1足夠大，一段時間內的平均平衡電流可計算如下：
若T1和T2期間，分別導通Q1和Q2，其總時間大約是時間常數「ESR-CSHUTTLE」的十倍。ESR在實踐中存在，那麼在一段時間內，平均平衡電流可以簡化如下：
因為只有ESR受損，電容電芯平衡的優點包括高效率及價格相對低廉。但電容電芯平衡也存在缺點，包括開關結構複雜、浪湧電流流入穿梭電容，以及與其他主動電芯平衡方法相比，電容電芯平衡的平衡電流較小。比較單個與多個電容電芯平衡方法，單個電容的電容電芯平衡方法需2n個開關，低於多個電容的電容電芯平衡方法的4(n-1)個開關，其中n表示電池數量。另一方面，與多個電容的電容電芯平衡不同的是，單個電容的電容電芯平衡不能同時執行，這會導致電芯平衡操作時間更長。由於這些特性，單個電容的電容電芯平衡方法適合於需要數量少、低容量電池的應用，例如可攜式工具、無線吸塵器等。 |
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| 圖3 採用單個電容(左)和多個電容(右)的電容電芯平衡 |
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| 圖4 單電容架構的電容電芯平衡運行電路(a)和波形(b) |
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單個和多個電感的電感穿梭電芯平衡，以下簡稱為「電感電芯平衡」。電感電芯平衡的基本操作類似電容電芯平衡方法，不同的是，電容電芯平衡方法中的電容被電感取代。基本上，電感從具有最高或更高電壓的電池獲取能量並將其提供給具有最低或較低電壓的電池。
如圖5(a)所示，T1期間，Q1導通，BAT1的能量被存儲到電感器LSHUTTLE；T2期間，Q1關斷，Q2導通，存儲到LSHUTTLE的能量被傳遞到BAT2。電池間傳輸的電流如圖5(b)所示。從波形可看出，T2期間，如果iBAL足夠為零，平均平衡電流可以下列公式計算。
雖運作方式類似電容電芯平衡方法，但電感電芯平衡方法效率較高，且在整個電芯平衡操作過程中，沒有浪湧電流，無法將平均平衡電流設計為恆定，因此總平衡時間低於電容電芯平衡方法。另外，電感電芯平衡方法的缺點是，相較於電容電芯平衡方法，其開關結構複雜，成本相對昂貴，因此適用於需較短電芯平衡操作時間的應用。值得注意的是，對於較短的電芯平衡操作時間，由於單個電感的電感電芯平衡方法無法同時執行，因此多個電感的電感電芯平衡方法較合適。 |
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| 圖5 單電感或多電感的電芯平衡電路(a)和波形(b) |
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從能量轉換和傳遞角度來看，直流對直流(DC-DC)開關轉換器，例如降壓、降壓-升壓、反馳、正向轉換器等，一般都可用作非常有效的解決方案。基於開關轉換器概念的主動電芯平衡方法被稱為「單獨充電電芯平衡」方法。 兩種方式皆採用反馳式轉換器實現單獨充電電芯平衡方法。轉換器的輸入端被連接到最頂端和最低端電池的電極，輸出端通過開關被連接到電池的每個電極，單獨充電電芯平衡方法基本操作是，該轉換器從所有電池將能量提供給一個或多個低電壓電池。
單獨充電電芯平衡方法最昂貴，但效率比其他主動電芯平衡方法高，甚至平衡時間可降至最少，因為電芯平衡電流可以更大。這樣的電芯平衡方法通常適用於相對昂貴的高功率應用，如不斷電供應系統(UPS)、儲能系統(ESS)與電動車等。
目前業界已認定電芯失衡是鋰離子電池中存在的一個重要問題，與鋰離子電池的工作時間和穩定性密切相關。此外，雖然採用電芯平衡電路防止電芯失衡意味著工程師得投入成本，但卻能有效幫助改善鋰離子電池和電池管理系統的效能。
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(本文作者任職於快捷)