作者：譚磊、林風、田懷山

1. 引言

庫侖效率（Coulombic Efficiency，CE）是指一個完整的充放電周期內，電池總的放電電荷與總的充電電荷的比值。當鉛酸電池充電到較高電壓時，庫侖效率會急劇下降，繼續充電不會進一步提升電池電壓或增加可放電電量，但會將電能轉化成熱量耗散掉，而不會對其蓄電機理造成嚴重損害。就鉛酸電池而言，如果不考慮能量損失，就無需考慮均衡和精細到電池單元的監測；而對于旨在提高能源利用率的儲能應用，庫侖效率隨著電壓的升高而急劇下降是完全不能接受的，這類應用需要確保電池在高庫侖效率的電壓范圍內工作。對于鋰蓄電池，在電壓達到庫侖效率轉折點后，蓄電機理就會被破壞、甚至會發生熱崩潰。為防止此類現象發生，鋰蓄電池需要測量各電池單元的電壓，均衡各電池單元的電量，確保電池組中的各電池單元狀態一致。

電池組串中單個電池單元所能承受的充放電電壓的上下限，決定了整個組串充放電電壓的上下限值。組串蓄電能力受限于組串電池單元中的“短板”單元，無法利用“長板”單元的能力。通常鋰蓄電池早期充放電循環的庫侖效率接近 1（~99.9%），隨著循環次數的增加，很快會降到 99%以下。庫侖效率反映了充放電過程中的電荷損失以及由此導致的電池容量降低，“短板”和“長板”的充放電區間因庫侖損失加劇分化。圖 1 是對庫侖效率影響的夸張示意。

圖中上半部分表示：若一個容量較大的電池串聯一個容量較小的電池，其充放電量將受容量較小的電池制約，受到相同庫侖效率的影響。容量較大的電池在每次放電后再充電不能完全補充其電荷損失，導致其充放電電壓范圍累進減小。此時電池組串充放電量仍由“短板”決定，組串電壓范圍顯著縮小，導致蓄能能力下降。圖中下半部分表示：串聯的兩個電池單元容量一致，但庫侖效率不同時，庫侖效率高（電荷損失小）的單元總是先充滿，庫侖效率低的單元總是先放完，導致它們的充放電電壓范圍分別朝兩端分化。這種分化導致充放電電荷量和蓄能能力同時急劇下降。無論是容量差異還是庫侖效率的差異，其分化都是一個累積的過程，其影響主要表現為前期經過幾十次充放電后，電池組串的蓄能能力快速下降，從而影響循環壽命的預估。

為保障使用安全，有必要對組串內每個電池單元進行電壓監測。是否實施電池均衡，采用什么方案，則是用戶和設備供應商權衡實施成本、可靠性風險成本和綜合收益的結果。分化影響出現在應用的中后期，對用戶和設備供應商的影響不會即時顯見，而配置均衡電路增加的成本和產生的額外功耗則是立等可見的。這就決定了均衡電路需要與測量電路結合起來，以最低代價實現才可能被接受。

除了實施成本和包括儲能效率的收益影響，可靠性風險成本的增加也會嚴重影響方案決策。圖 2用來解釋與組串內各電池單元連接的電路在電池組串出現異常開路時產生高反向電壓的機理。當圖中的電池組串異常開路時，V_a和 V_b 的電壓由負載電阻 R_load 和 V_a-V_b 之間的等效電阻 Reff的分壓關系決定。在極端情況下會出現 Va-Vb 之間的反向電壓僅比組串電壓低一個電池單元的電壓，或者 Va點與接地的機架之間的反向電壓等于組串電壓。電池單元電壓監測電路可以通過串聯電阻限流和箝位器件進行保護，但需要低阻通路以保證效率的均衡電路則無法通過限流電阻進行保護。均衡電路需要更大的硅片面積開銷，以確保其性能、耐壓等級以及與之相關的可靠性。

2. 圣邦微電子提出的解決方案

為滿足結構和電氣安全要求，以及匹配不同集成電路工藝的耐壓等級，高壓電池組拆分為最高電壓（60V_DC）以下的多個子組串，各子組串配備獨立的測量和均衡電路，以簡化維修并擴展半導體工藝選項。60V_DC 是公認的 36V_AC 對應的 DC 電壓的安全上限，也是常見的集成電路工藝所能覆蓋的耐壓等級。分解成子組串也有利于布線設計和 EMC 設計。

2.1 “組串間均衡”

當子組串內配備獨立的測量和均衡電路時，子組串間還需要提供跨子組串轉移電荷的能力。圖3是以子組串為單元的均衡電路，該電路由圣邦微電子提出（專利已登記，目前在審核中），對照方案可見參考資料[1]的綜述。

與綜述介紹的方案相比，圣邦微電子提出的“組串間均衡”是通過組串內電路自行實現的，不需要系統層面的協調控制，組串內電路只需承受組串指定的電壓應力和電流應力。這個電路的飛電容接法是關鍵差異結構，允許單個飛電容異常短路。

啟用“組串間均衡”功能時，僅需要向某個組串內電路輸入啟動信號，其它組串內電路就會檢測到飛電容耦合的信號，并啟動相應的動作。如果檢測到正電壓變化，則連接其右側開關；反之，連接其左側開關。結果是每個組串內的電路將其組串電壓斬波后通過電路下方的 L-C 連接到一起。如果一個組串自身電壓偏高，就向電壓偏低的組串輸出電荷；反之，則從其它較高電壓的組串獲取電荷。

與對照方案相比，“組串間均衡”方案中任意兩個組串間的電荷轉移流經相同數量的 L-C，與組串在整個電池組中的位置無關。通路中的 L-C 組成諧振結構，可以增強低壓差下的電荷轉移能力。組串內電池單元間的均衡也可通過相同的 L-C 諧振結構增強電荷轉移能力（這部分后面會做進一步解釋）。從電池計量和充放電保護角度來看，該方案不需要測量子組串的電壓，其電壓可由組串內電池單元電壓測量結果合成，或通過系統的其他連接電路或保護電路完成。

2.2 組串內測量和均衡

圖 4 是組串內的測量和均衡電路。電路的開關驅動、保護設計和諧振工作方式由圣邦微電子提出（專利已登記，目前在審核中），對照方案可見參考資料[1]的綜述、資料[2]和[3]兩份專利說明，以及資料[4]TI 的產品規格書。

圖中抽頭開關連接電池單元和飛電容母線，每次只開通相鄰的兩個抽頭開關。圖中左右兩條飛電容母線間的壓差會出現正負倒替。整流開關確保將母線上倒替的壓差以正確的極性連接到飛電容上。這種倒替接入母線-整流的結構減少了抽頭開關的數量，還可以兼顧諧振控制對開關數量的要求。諧振過程會延長電池單元電壓采樣的建立過程，圖中右上側的開關可以在電壓測量時旁路諧振電感，加快電壓采樣的建立時間。圖中所有開關均采用電容驅動，除諧振開關控制電路外，無需直流偏置電路。不驅動時，電路自然進入開關截止狀態，便于保護設計，并實現抗負電壓應力設計。

圖 5 為抽頭開關驅動及保護的示意電路。正常狀態下的電池抽頭電壓波動不大，飛電容母線電壓被箝位在當前或上次采樣的電壓上，可能高于或低于電池抽頭電壓。電池抽頭與飛電容母線的連接被圖中對應極性的 MOSFET 開關阻斷，C_drv上的直流電壓跟隨較低電壓側變化。驅動脈沖通過 C_drv耦合開通開關。R_pd-Cd_rv網絡的穩定時間與開關的閾值一起決定了導通狀態的保持時間。抽頭和飛電容母線電壓波動會通過 C_drv 傳遞到保護電路，如果波動超出預設范圍，則觸發 C_drv 放電，強制兩者斷開；如果電池抽頭出現負電壓，則借助 R_pd限流提供箝位保護。

無直流偏置的電容驅動開關、外部采樣電容和諧振電荷轉移構成了該方案與其他方案的關鍵差異。使用外接較大電容不僅兼顧了均衡的需要，同時因其容量較大，開關過程中寄生電容耦合產生的干擾影響較小，有利于高精度的電壓采樣。

2.3 諧振電荷轉移原理

參考圖 6，當電壓保持在 V_f的飛電容支路分別與左側偏高電壓為 V0 的電池單元，以及與右側偏低電壓為 V1 的電池單元連接時，波形示意見圖 b)。L-C 諧振的電荷轉移過程出現接觸浪涌。理想條件下每次接觸飛電容的升壓幅度是接觸前壓差的兩倍。如果在半諧振周期時關斷開關，可將諧振引起的升壓保持在飛電容上。在電荷轉移過程中，飛電容在兩個有壓差的電池之間交替連接，該過程將不斷擴大飛電容的升壓幅度，最終的升壓幅度由等效通路上的 R_loss決定（即諧振槽路 Q 值決定）。

諧振開關的開通由設定的工作頻率或外部觸發條件決定，關斷時刻則由相應的開關本身決定。對于圖 3 所示電路，諧振不止發生在兩個子電池組之間，相應的開關在導通時需要檢測電流極性，然后根據電流極性檢測電流降到零時關斷開關。接觸浪涌電流從升高到下降回零的過程對應半個諧振周期。檢測零電流觸發開關關斷的方式不受其他開關諧振過程的影響。圖 7 是部分時間諧振的波形示意。電容上電壓變化的幅度即 LRC 諧振所能達到的幅度，增幅能力由其 Q 值決定(= √L/C/R)；壓差為 dV，開關頻率為 f_sw 時轉移電流為（f_sw ? dV ? √L ? C/R）。部分時間諧振在飛電容斷開期間切換電池連接，恰恰有利于減少切換期間帶來的損失。

2.4 產品結構形式選擇

圖 3 電路抽頭開關數量比圖 4 電路多，電感電容也多。考慮到圖 4 電路還需要整流開關，在節數較低時采用圖 3 電路更為合理。均衡的電池組串充放電計量等同于單個電池，任何一個抽頭的電壓都能反映整個電池組串的特征，如續航時間、有效容量和單元電壓；電池的健康程度與每個電池單元相關（參考資料[5]和[6]）。在應用過程中，需要利用符合特征的階躍響應來提取與電池化學反應動力相關的特征參數，即利用獲取的高分辨率電壓變化過程進行反卷積解析，提取電池單元內部化學反應過程的響應參數。圖 3 電路是電荷泵的一種變形，其電荷轉移能力足以在任何抽頭節點之間傳遞以及直接做輸入或輸出。

具體選擇哪種形式取決于應用需要和實施收益。只測量而不均衡，并不改善組串的狀態，僅可算是一種風險防護投入；就正常系統而言，用戶和廠家沒有收益。旁路均衡在極端情況下可能因一節電池欠壓而對組串中所有其余電池旁路放電，投入大、效能低，且其低效能并不因為把這個過程隱藏在充電后期“不定期均充”而有任何改善。主動均衡可讓系統工作在高容量利用率、庫侖損失稍差的高電壓，裨益用戶和廠家雙方。

3 參考資料

[1] Anushree Ramanath. Active and Passive Battery Pack Balancing Methods[EB/OL]. (2020-11-24).

[2] 冉峰，徐浩，季淵，秦嘉琦. 一種共用開關陣列的電池采樣均衡電路：CN105789715A[P]. 2016-07-20.

[3] 王賢江，胡振營. 一種串聯電池組均衡電路：CN104935051A[P]. 2015-09-23.

[4] Taxes Instrument Incorporated. bq77pl900 產品規格書[EB/OL]. (2009-01).

[5] 譚磊. 鋰電池電量的計量方法和計量裝置: CN103048629B[P]. 2015-07-22.

[6] Yevgen Barsukov. Challenges and Solutions in Battery Fuel Gauging[EB/OL].