鋰電池的均衡的原理和事項(xiàng)

1、為了給設(shè)備供應(yīng)足夠的電壓，鋰電池包通常由多個(gè)電池串聯(lián)而成，但是假如電池之間的容量失配便會(huì)影響整個(gè)電池包的容量。為此，我們需要對(duì)失配的電池進(jìn)行均衡。本文將爭(zhēng)辯電池均衡原理以及SOC調(diào)整，對(duì)在放電過程和充電過程中均衡電池提出幾點(diǎn)留意事項(xiàng)以及電池均衡建議，并爭(zhēng)辯均衡電路的功能要求。 電池均衡原理 圖2為目前所用的電池均衡電路。Cell1和Cell3表示電池，(R1, T1)到(R3, T3)為均衡電路。此處假設(shè)晶體管T1、T2、T3以及電阻R1、R2和R3為電池監(jiān)測(cè)器的外部元件，實(shí)際上可以將它們集成在電池監(jiān)測(cè)器中，但考慮到面積和功耗問題，T1、T2和T3的體積必需縮小。將這些晶體管集成到芯片中可將均

2、衡電流降低到10mA以下，延長失配電池的均衡時(shí)間。此外，為避開電池監(jiān)控器內(nèi)部發(fā)熱引起A/D轉(zhuǎn)換器和模擬調(diào)整電路性能退化而產(chǎn)生錯(cuò)誤測(cè)量結(jié)果，每次應(yīng)當(dāng)只對(duì)一個(gè)電池進(jìn)行均衡。 例如，假設(shè)在電池放電過程中對(duì)Cell1進(jìn)行均衡，此時(shí)充電器斷開，晶體管T2和T3保持關(guān)斷，T1導(dǎo)通。電池的電路連接如圖3所示，圖4是其戴維寧等效電路。從等效電路中可得出晶體管T1構(gòu)成的Cell1放電路徑并沒有從Cell2和Cell3吸取電流的結(jié)論。因此，晶體管T1只對(duì)Cell1進(jìn)行放電。同樣，T2和T3也只分別對(duì)Cell2和Cell3放電。 另一方面，Cell1的放電路徑與負(fù)載電阻有關(guān)。假如負(fù)載電阻比R1+T1高，那么大部分放

3、電電流會(huì)經(jīng)過功率晶體管T1。然而，假如負(fù)載電阻較低，部分放電電流便會(huì)經(jīng)過負(fù)載，從而降低了均衡效率。 電池均衡等效放電電阻的計(jì)算公式為： 為削減放電時(shí)間，功率晶體管的導(dǎo)通電阻必需格外小，同時(shí)R1電阻也必需盡可能小。通常負(fù)載電阻與系統(tǒng)有關(guān)，難以把握。建議選用阻值高過R1+T1的負(fù)載電阻，這樣大部分放電電流會(huì)經(jīng)過功率晶體管而不是負(fù)載。由于負(fù)載電流微乎其微，或者根本沒有，因此首次調(diào)整時(shí)的效率會(huì)比較高。 典型的初始化調(diào)整時(shí)間可長達(dá)18小時(shí)。如圖5所示，假如在充電過程中進(jìn)行電池均衡，則充電器供應(yīng)的電流為Icharge，而Icharge = Icharge+Iload。電池的實(shí)際充電電流為Icharge，并

4、在負(fù)載電阻斷開時(shí)得到最大值。然而，假如在充電階段接入了負(fù)載電阻，部分充電電流便會(huì)流經(jīng)負(fù)載。在Cell1的均衡過程中，Icharge=I1+I2，I2相對(duì)于I1的大小與功率晶體管T1和電阻R1的阻值之和有關(guān)。 SOC調(diào)整 SOC調(diào)整(conditioning)是指在電池包首次使用前對(duì)其進(jìn)行一次性調(diào)整，該過程至少需要一個(gè)完整的電池包放電，然后再進(jìn)行一次完整的充電。在此之后，只需通過在充電時(shí)執(zhí)行一次并不嚴(yán)格的均衡程序就可消退因軟短路引起的微小變化。 在初始調(diào)整過程中電池包的均衡電流最大。通常，18650鋰離子電池的內(nèi)部電阻約為100。推斷是否需要調(diào)整的簡(jiǎn)潔方法是：假如Cell1在完全充電后比Cell

5、2和Cell3的容量高出15%，而Cell2和Cell3是匹配的，那么就需要進(jìn)行調(diào)整。 在調(diào)整過程中將負(fù)載去掉，并且斷開路徑R1+T1對(duì)Cell1進(jìn)行放電。此時(shí)電池為4.2V，流經(jīng)42均衡電阻的電流為100mA。晶體管的導(dǎo)通電阻通常不到1，可忽視不計(jì)。電阻上的功耗為0.42W： 4.20V/0.100A=(R1+RT1)=42 Pdissipation=IV=0.100A4.20V=0.42W 假如在調(diào)整過程中使用2,000mAh的電池包，并進(jìn)行3個(gè)小時(shí)的放電，則從Cell1上消耗掉300mAh，可修正15%的不均衡。 假如使用大容量電池包，則所需的均衡電流和充/放電周期都隨之增加。假設(shè)電池包

6、為600mAh，均衡電流仍為100mA，電池包經(jīng)過3個(gè)小時(shí)放電，可修正5%的不均衡。 下一步是為電池包充電，仍舊將T1導(dǎo)通。此時(shí)Cell1的充電電流比其它電池少100mA。假如充電時(shí)間也是3小時(shí)，其它電池的充電量比Cell1多300mAh，實(shí)現(xiàn)10%的充/放電修正。 假如調(diào)整時(shí)間足夠長，我們可以使用多個(gè)充/放電周期，這樣可修正更多的SOC偏差，也可接受更低的均衡電流進(jìn)行調(diào)整(降低功耗)。可以在充電的中間狀態(tài)下對(duì)電池進(jìn)行均衡處理，而不是完全放電，但這將削減總均衡時(shí)間。 電池均衡留意事項(xiàng) 在放電和充電期間對(duì)電池進(jìn)行均衡時(shí)應(yīng)分別留意以下問題： a. 在放電過程中均衡電池 1. 在放電過程中進(jìn)行電池均

7、衡將消耗掉沒有利用到的功率。而在調(diào)整過程中對(duì)電池均衡時(shí)，這些功耗不會(huì)影響系統(tǒng)的工作時(shí)間，但假如在放電的同時(shí)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)行電池均衡將產(chǎn)生很多問題。 2. 在放電期間進(jìn)行電池均衡所花時(shí)間較長。由于放電速度與負(fù)載電阻阻值有關(guān)，在系統(tǒng)工作時(shí)進(jìn)行均衡效率低。3. 假如在放電期間進(jìn)行均衡同時(shí)期望均衡時(shí)間較短，則需要外接一個(gè)導(dǎo)通電阻較小的功率晶體管，此類晶體管格外普遍，如MOSFET或FET。 4. 假如期望在放電期間快速均衡，就必需將低阻值電阻與功率晶體管串聯(lián)以降低功率晶體管的功耗。假如沒有這個(gè)限流電阻，晶體管會(huì)很快地消耗掉電池電能。在FET導(dǎo)通電阻為100(此阻值較常見)、電池電壓為4V時(shí)，

8、晶體管將產(chǎn)生160W功耗，晶體管便會(huì)像保險(xiǎn)絲一樣快速毀壞。 5. 使用阻值低的電阻時(shí)需要一個(gè)大功率器件，將增加PCB的占用面積和成本。在上面的例子中，電阻的功耗為0.42W，為了盡量削減發(fā)熱并降低電阻所承受的應(yīng)力，應(yīng)當(dāng)使用功率為2W的電阻。 在抱負(fù)狀況下，電池均衡電流較小，可以接受低功率值電阻。此功耗也可通過在電池包內(nèi)散熱最多的地方配置多個(gè)電阻來解決。 b. 在充電期間均衡電池 1. 在充電期間測(cè)量電池電壓并不精確，而且會(huì)引起過早的電池均衡。因此，必需周期性地停止充電以便測(cè)量電池電壓。 2. 充電器的電壓轉(zhuǎn)換和感應(yīng)諧振會(huì)造成輸出電壓毛刺。這種狀況會(huì)引起測(cè)量誤差和電池均衡電流變化，從而影響電池均

9、衡。 3. 在充電期間進(jìn)行均衡還需要一個(gè)導(dǎo)通電阻低的外部功率晶體管以實(shí)現(xiàn)電池均衡，這將產(chǎn)生在放電期間均衡相同的局限性。不過，在充電期間進(jìn)行均衡通常是為了訂正軟短路，因此所需均衡電流較小。 4. 由于未均衡電池的阻值較低，因此無法將全部的充電電流進(jìn)行分流，部分電流會(huì)經(jīng)過未均衡電池，但比電池包中其它均衡電池的電流要低。因此，要求開頭對(duì)電池均衡時(shí)的電壓較低，以便有足夠的時(shí)間在標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池的平安范圍內(nèi)進(jìn)行均衡。 電池均衡的建議 建議在電池包初次充/放電時(shí)進(jìn)行調(diào)整以均衡電池，此后只需要在充電期間進(jìn)行均衡。在充電期間進(jìn)行均衡時(shí)，電池包中的把握器把握充電器的電流 - 通常是通過電池包中的充電把握FET來管

10、理。充電器最好能產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)較短的電流脈沖，并在脈沖間歇期間測(cè)量電池包和電池電壓。假如電池包中電池之間產(chǎn)生了失配，均衡功率晶體管便導(dǎo)通，未均衡電池的充電電流減小。在下一個(gè)間歇中再次測(cè)量電池，假如已實(shí)現(xiàn)了均衡則關(guān)斷晶體管。 電流脈沖的持續(xù)時(shí)間不肯定相同。假如電池經(jīng)過完全放電，電流充電過程可能會(huì)持續(xù)更久，同時(shí)對(duì)電流的測(cè)量頻率將降低。隨著電池電壓增加，電池接近完全充電容量，電流脈沖寬度減小，電池電壓測(cè)量頻率增加。假如充電期間某個(gè)電池在別的電池尚未均衡時(shí)便到達(dá)過壓狀態(tài)，則必需通過延長間歇時(shí)間并在此期間對(duì)電池進(jìn)行一段時(shí)間放電，從而使該電池保持在平安區(qū)。在這種狀況下需要經(jīng)過若干充/放電周期，直到全部電池達(dá)

11、到相同狀態(tài)。 改進(jìn)充電器的把握格外重要，以便能按需要增加或降低充電器的電流。假如充電期間的溫度超過了預(yù)設(shè)值，電池包所需的充電電流減小，從而降低溫度并以較慢的速率連續(xù)充電。 通過測(cè)量每個(gè)電池的電壓可以對(duì)電池均衡操作進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)階段很重要一點(diǎn)是要求負(fù)載必需保持恒定，以保證在監(jiān)測(cè)每個(gè)電池電壓時(shí)電池包消耗的電流不會(huì)轉(zhuǎn)變。 在調(diào)整處理過程的放電期間均衡電池較為簡(jiǎn)潔：電池包中的把握器通過把握電池包放電FET斷開負(fù)載，隨后把握器打開最高電壓電池兩端的晶體管，當(dāng)該電壓與其它電池電壓匹配時(shí)，晶體管關(guān)斷。由于負(fù)載在不斷變化，因此要想在系統(tǒng)工作時(shí)的放電期間進(jìn)行電池均衡比較困難，轉(zhuǎn)變負(fù)載會(huì)影響均衡速度以及電池電壓

12、和電池包電流測(cè)量精確度。 如上所述，在電池均衡算法中需要考慮很多因素。在PoweReady公司開發(fā)的一個(gè)算法中，他們接受了一個(gè)微把握器和Xicor X3100來監(jiān)測(cè)單個(gè)電池的電壓，并把握電池包充/放電FET和電池均衡FET。由于微把握器基于閃存，即使在電池封裝成包后仍可轉(zhuǎn)變電池均衡算法。這些轉(zhuǎn)變可以結(jié)合新的均衡參數(shù)或補(bǔ)償電池化學(xué)性能的變化。 均衡器件的性能要求 為了實(shí)現(xiàn)電池均衡，電池包需要增加一些器件。這些器件必需能實(shí)現(xiàn)以下功能： 1. 獨(dú)立、精確地監(jiān)測(cè)每個(gè)電池電壓。要實(shí)現(xiàn)該功能需要工作電壓最高可達(dá)20V、輸入范圍為2-4.5V、精確度超過10mA的差分放大器。 2. 確定電壓最高的電池以及該

13、電池與其它電池的電壓差，這要求接受一些硬件比較器或計(jì)算機(jī)把握的比較方案(A/D轉(zhuǎn)換器+軟件算法)。 3. 打算電池電壓差并啟動(dòng)電池均衡，可以接受微把握器或硬件狀態(tài)機(jī)。 4. 把握電池均衡FET。這些FET通常為分立元件，把握信號(hào)必需能供應(yīng)3V-17V的門電壓。 以上這些器件應(yīng)當(dāng)盡可能地實(shí)現(xiàn)集成，以避開電池包電路的成本增加太多，如X3100平安/監(jiān)控IC。X3100集成了一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器，以及對(duì)每個(gè)電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)器，該監(jiān)測(cè)器為差分運(yùn)算放大器；另外，一個(gè)模擬多路復(fù)用器允許微把握(帶有內(nèi)建A/D轉(zhuǎn)換器)讀取每個(gè)電池電壓；通過IC中的軟件，電池包可確定需要均衡的差值并實(shí)行正確的校正動(dòng)作；X3100還供應(yīng)了FET驅(qū)動(dòng)器，因此無需增加電平轉(zhuǎn)換電路來獲得微把握器的5V電源電壓。 本文小結(jié) 電池均衡可以在串聯(lián)電池消滅充電損耗或容量損耗時(shí)增加鋰電池系統(tǒng)的可用容量，可提高電池包的使用壽命