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user: 3. 状态评估及均衡方案设计 每个电池组在刚出厂时，都会选用特性较相近的电池单元做串联或并联，但电池经久放或多次使用后，容量会逐渐减少，称之为电池老化。这种现象会使得电池间状态差别变大，这时候我们需要电池管理系统来做调整。电池的总体容量的输出受限两种情况，第一种是当串联的电池组中，其中有一个电池单元因老化而容量小于其它电池单元，这个电池单元会最先充饱至截止电压及放电至截止电压，电池管理系统为了保护这个电池单元不会过充或过放而切断整个回路，这种情况无论在怎么作电池均衡，电池组所能放出的电容量也不会增加，所以电池组的容量就等于最低容量的电池单元，若电池老化太严重，电池容量不及原先的80%时，就有更换电池单元的必要。第二种情况是电池组因久放或其他原因，电池单元彼此间的电池电量状态(SOC)不一样，例如一组标称容量为6000 mAh的电池，若电池单元A比电池单元B少了1000 mAh，充电时电池单元B先充至过充截止电压，电池组停止充电，但电池单元A与单元电池B的容量有1000 mAh，所以只有5000 mAh的电容量，因此在放电时，当电池组放出5000 mAh的容量后，电池单元A会先放至过放截止电压，电池组就会停止放电，这样电池组就少了1安时的容量，若这种情况可依靠电池均衡系统将电池单元之间容量的差距渐渐缩小，电池组就能回复原先的容量，不需要更换电池单元。 磷酸锂铁(LiFePO 4 )电池的特色是电压大部分都维持在3.3 V左右，只有快充饱或快没电时电压才会明显变化，因此很难探查出电池间的不均衡，且大部分的信息需接上计算机才能观察，如果是装置在无仪表显示的负载上，更无法判别。就算接上计算机后还需再做充放电，并对每个电池单元逐一检查，甚是麻烦。 本文提出一个新的思路，以此对电池状态做快速判断，能知道是电池电量状态不均衡或是电池单元的过度老化影响电池容量，甚至还可以改善电压均衡的模式，让电池管理系统更加完善。将电池充放电的纪录存在内存中纪录的方式如图2。纪录了几个必要的信息过充电压(Cell Over Voltage， COV)电池的 ID、过放电压(Cell Under Voltage， CUV)的电池ID、剩余容量(Remaining Capacity， RM)、满充容量(Full Charge Capacity， FCC)，并从纪录到的数值去做分析。第一次充放电的FCC值是根据出厂时的标称容量做手动设定，当电池做完一组完整的充放电后将会跟新FCC的数值。左边为充电结束时瞬间的纪录，右边为放电结束时瞬间的纪录。首先定义均衡结束的状态如表1电池状态(a)为电池容量最少的状态，因其充放电时都最先达到COV和CUV的电压截止条件。电池状态(b) Cell 5和Cell6轮流出现在COV ID和CUV ID中出现，代表Cell5和Cell6为电池组中容量最少且容量相近。这里称均衡结束的状态为已均衡，代表无需再作电压均衡，后面会有详细的解释。 图2. 健康电池的充放电容量纪录 Table 1 Battery statu ID(a) 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 ID(b) 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 过充电压ID Cell5 Cell5 Cell5 Cell5 Cell5 过充电压ID Cell5 Cell5 Cell6 Cell6 Cell6 过放电压ID Cell5 Cell5 Cell5 Cell5 Cell5 过放电压ID Cell6 Cell5 Cell5 Cell5 Cell6 表1. 电池状态 再来定义均衡结束的状态如表2，在本文称之为未均衡，意指仍需以均衡系统来调整容量。表2的电池状态(c)的COV ID皆为Cell5，而CUV ID为非Cell5且变换着不同的ID，电池状态(d)的CUV ID皆为Cell6而COV ID为非Cell6且变换着不同的ID，电池状态(e)的COV ID皆为Cell5而CUV ID皆为Cell6，状态(f)COV ID和CUV ID互不相同则皆变换着不同ID。 由以上定义我们可将状态分为已均衡和未平，出现已均衡的状态代表电池的容量受限于Cell ID所出现的电池单元，例如表2电池状态(a)，每次充放电到截止电压时，都纪录到Cell5，由此推想，Cell5容量最小，而且能将该电池单元的容量完全使用，电压均衡无论在如何启动，也增加不了此电池单元的容量，所以不需要再做均衡，遇到这种情况则不再对电池组的任何一颗电池单元做均衡，因此可以称作是已均衡，而表2电池状态(b)也有相同的意思，但是两颗电池单元的已均衡状态判别较为困难，若能发展出更好的辨别机制，则能推展至两颗电池单元以上。而表2电池状态(c)、电池状态(d)、电池状态(e)、电池状态(f)的电压截止条件不受限于单颗电池单元。表2电池状态(c)可以预估为Cell5电容量较多，而Cell6、Cell7、Cell8电容量偏少且相近，表2电池状态(d)为Cell2、Cell3容量较多且相近，Cell6容量偏少，表2电池状态(e)为Cell5容量较多，Cell6容量偏少，表2电池状态(f)为Cell5、Cell6、Cell7容量较多且相近，Cell2、Cell3、Cell4容量偏少相近。这些状态经由电压均衡机制仍可以调整容量，所以视为未均衡。 Table 2 Battery statu ID(c) 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 ID(d) 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 过充电压ID Cell5 Cell5 Cell5 Cell5 Cell5 过充电压ID Cell2 Cell2 Cell2 Cell3 Cell3 过放电压ID Cell6 Cell6 Cell7 Cell7 Cell8 过放电压ID Cell6 Cell6 Cell6 Cell6 Cell6 ID(e) 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 ID(f) 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 过充电压ID Cell5 Cell5 Cell5 Cell5 Cell5 过充电压ID Cell5 Cell5 Cell6 Cell6 Cell7 过放电压ID Cell6 Cell6 Cell6 Cell6 Cell6 过放电压ID Cell2 Cell2 Cell4 Cell3 Cell3 表2. 电池状态 接着我们搭配着RM和FCC做观察，由FCC可以得知现在所能拥有的最大容量，若达已均衡状态如表1电池状态(a)而FCC而的容量已经低于原有容量的80%，代表Cell5老化严重需要更换电池；若是在尚未均衡的状态，则还有可能靠着均衡系统将电池组回复原先的容量，不用急于更换。图2此组电池出厂标定容量为12，000 mAh，由纪录数据可以看出电池至少还有90%的容量。又由于电池均衡系统本身的均衡电流有限，如果想要自行检修时，可以依不同状态快速做调整。以电池状态(c)来说，Cell5明显比其他电池的电容量还高，依据FCC的多寡跟原先的容量做比较，斟酌放电部分容量，电池状态(d)则可对Cell6充电，电池状态(e)则可同时对Cell5放电Cell6充电。图3为表1电池状态(b)的实验数据，图中显示出Cell4与Cell6容量状态相近，达已均衡的状态，此电池组出场时为6000 mAh的电池，而现今容量以不满80% (4800 mAh)，故此电池单元老化情况较为严重，可考虑更换电池单元。图4为图3第7次电压波形纪录，由图形上可以看到电池单元电压相当接近。 图3. 电池状态(b)的电压充放电纪录 图4. 图3的第7次充电电压曲线 由图5可以观察到此状态类似表2电池状态(d)，判断该电池的Cell7、Cell3和Cell1电池容量相近，而Cell5电池的容量较低。然后我们取其中一次的电压变化曲线，图6和图7为第10次充电、放电曲线，从图中可以看到Cell5电压明显较低，故Cell5电池的容量较低得以验证。由图8可以观察到此状态类似表2电池状态(e)，推断出Cell1电容量较多，而Cell5电容量较少，可由图9和图10得到验证。 图5. 电池状态(d)的电压充放电纪录 图6. 图5的第10次充电电压曲线 图7. 图5的第10次放电电压曲线 图8. 电池状态(e)的电池充放电纪录 图9. 图8的第10次充电电压曲线 图10. 图8的第10次放电电压曲线