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機械工業雜誌

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高效率雙向電能回充主動式平衡電池管理系統

作者 范唯軒林建羽

刊登日期:2025/06/01

摘要

隨著鋰離子電池在電動車和儲能系統中的應用增加,電池管理系統在確保電池壽命與安全性方面變得至關重要。電池不平衡會降低容量與效率,甚至影響安全,因此電池平衡技術成為關鍵。相較於傳統的被動平衡透過電阻耗能,主動平衡透過能量轉移提高電池利用率,減少能量損失,並延長壽命。本文探討雙向電能回充主動式平衡技術,驗證平衡鋰電池不平衡狀況。結果顯示,主動平衡能有效縮短40 %以上的平衡時間,並提升系統能效至90 %以上,顯著減少能量浪費與發熱。未來結合智慧演算法與AI預測,將進一步提升效率,成為高效能電池管理的關鍵技術。

Abstract

As the use of lithium-ion batteries in electric vehicles and energy storage systems increases, battery management systems become critical in ensuring battery life and safety. Unbalanced battery cells will reduce capacity and efficiency, and even affect safety, so battery balancing technology becomes critical. Compared to traditional passive balancing that consumes energy through resistance, active balancing improves battery utilization, reduces energy loss, and extends life through energy transfer. This article discusses the bidirectional energy recycling active balancing technology to verify the imbalance of balanced lithium batteries. The results show that active balancing can effectively shorten the balancing time by more than 40%, and improve the system energy efficiency to more than 90%, significantly reducing energy waste and heat. In the future, the combination of intelligent algorithms and AI predictions will further improve efficiency and become a key technology for high-performance battery management.

前言

鋰離子電池如今已成為電動車與大型儲能系統的核心技術,其需求隨應用規模迅速擴張[1]。然而,鋰電池仍面臨壽命有限、能量密度瓶頸、安全隱憂與電池不平衡等挑戰。其中安全性和能量密度問題尤為突出;另外,LG能源解決方案指出,電池不平衡會削弱電池組的容量和壽命,並可能因單體過充或過放增加起火風險[2]。因此,業界領導企業皆投入研發先進的電池管理系統(Battery Management System, BMS)來解決上述問題。例如Tesla的BMS精準監控每顆電池,確保充放電過程中電壓保持平衡,以提升電池組的安全性和可靠性[3]。
1為BMS之示意圖,BMS維持電池組各電池狀態一致性的核心技術是電池平衡,主要分為被動平衡與主動平衡兩種。被動平衡以電阻耗散高電量電池的多餘能量,原理簡單但效率低,且僅能在充電時平衡;主動平衡透過電子轉換電路將高電壓電池電量轉移至低電壓電池,在充放電過程皆可進行,能量利用率高,但系統較複雜且成本較高[4]。對電動車與儲能系統而言,被動平衡因耗能可能降低整體效率;主動平衡則可最大化電池可用容量,避免少數落後電池影響電池組性能。
鑑於上述挑戰及被動平衡的局限,研發雙向主動BMS十分必要,此系統是一種讓電池組內能量在電池間雙向轉移的管理系統。透過即時雙向平衡,可充分利用每顆電池容量,減少能量浪費並提高電動車續航或儲能效率,同時避免單體電池過度充放以延緩老化、延長壽命並降低維護成本,並預防電壓偏離安全範圍以降低熱失控風險[5]。本文將探討雙向主動BMS的設計原理與應用優勢,說明此技術如何克服傳統BMS不足,優化電池組的性能、壽命與安全。
本文探討主動平衡技術在電池管理系統中的應用,分為五個部分。首先,第一部分概述電池平衡技術,比較被動與主動平衡的優劣,並分析不同平衡方式的特性與挑戰。第二部分介紹主動平衡系統設計,包含控制架構、能量轉移機制與平衡演算法。第三部分透過性能評估與實驗結果,驗證主動平衡對電池一致性、能量利用效率與壽命的影響。第四部分分析應用場景,涵蓋電動車、儲能系統與消費電子,探討其技術實現與優勢。最後,討論挑戰與未來發展,總結當前技術限制,並提出可能的解決方案與未來研究方向。
 
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