鋰電池的均衡的原理和事項(xiàng)

為了給設(shè)備提供足夠的電壓，鋰電池包通常由多個(gè)電池串聯(lián)而成，但是如果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。本文將討論電池均衡原理以及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)注意事項(xiàng)以及電池均衡建議，并討論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的體積必須縮小。將這些晶體管集成到芯片中可將均衡電流降低到10mA以下，延長(zhǎng)失配電池的均衡時(shí)間。此外，為避免電池監(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吸收電流的結(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)。如果負(fù)載電阻比R1+T1高，那么大部分放電電流會(huì)經(jīng)過功率晶體管T1。然而，如果負(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：為減少放電時(shí)間，功率晶體管的導(dǎo)通電阻必須非常小，同時(shí)R1電阻也必須盡可能小。通常負(fù)載電阻與系統(tǒng)有關(guān)，難以控制。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(zhǎng)達(dá)18小時(shí)。如圖5所示，如果在充電過程中進(jìn)行電池均衡，則充電器提供的電流為Icharge，而Icharge=I'charge+Iload。電池的實(shí)際充電電流為I'charge，并在負(fù)載電阻斷開時(shí)得到最大值。然而，如果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，I'charge=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除因軟短路引起的微小變化。在初始調(diào)節(jié)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100Ω。判斷是否需要調(diào)整的簡(jiǎn)單方法是：如果Cell1在完全充電后比Cell2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)42Ω均衡電阻的電流為100mA。晶體管的導(dǎo)通電阻通常不到1Ω，可忽略不計(jì)。電阻上的功耗為0.42W：4.20V/0.100A=(R1+RT1)=42ΩPdissipation=IV=0.100A×4.20V=0.42W如果在調(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。如果使用大容量電池包，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，仍然將T1導(dǎo)通。此時(shí)Cell1的充電電流比其它電池少100mA。如果充電時(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。如果調(diào)整時(shí)間足夠長(zhǎng)，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，也可采用更低的均衡電流進(jìn)行調(diào)節(jié)(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，但這將減少總均衡時(shí)間。電池均衡注意事項(xiàng)在放電和充電期間對(duì)電池進(jìn)行均衡時(shí)應(yīng)分別注意以下問題：a.在放電過程中均衡電池1.在放電過程中進(jìn)行電池均衡將消耗掉沒有利用到的功率。而在調(diào)節(jié)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，但如果在放電的同時(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(zhǎng)。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。

以上這些器件應(yīng)該盡可能地實(shí)現(xiàn)集成，以避免電池包電路的成本增加太多，如X3100安全/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)用器允許微控制(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采取正確的校正動(dòng)作；X3100還提供了FET驅(qū)動(dòng)器，因此無需增加電平轉(zhuǎn)換電路來獲得微控制器的5V電源電壓。本文小結(jié)電池均衡可以在串聯(lián)電池出現(xiàn)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。目前，集成了電池均衡控制功能的器件已經(jīng)上市，我們可采用這些解決方案在滿足功能設(shè)計(jì)同時(shí)節(jié)省成本。X3100等器件集成了電壓監(jiān)測(cè)電路和FET控制元件，使外部微控