鋰電池的均衡的原理和事項

1、為了給設(shè)備提供足夠的電壓，鋰電池包通 常由多個電池串聯(lián)而成，但是如果電池之 間的容量失配便會影響整個電池包的容 量。為此，我們需要對失配的電池進行均 衡。本文將討論 電池均衡 原理以及 SOC調(diào) 整，對在放電過程和充電過程中均衡電池 提出幾點注意事項以及電池均衡建議，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)測器 的外部元件，實際上可以將它們集成在電池監(jiān)測器中， 但考慮到面積和功耗問題， T1、T2和

2、 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，延長失配電池的均衡時間。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)生錯誤測量結(jié)果， 每次應(yīng)當(dāng)只對一個電 池進行均衡。例如，假設(shè)在電池放電過程中對 Cell1 進行均衡，此時充電器斷開，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 Cell1 進行放電。同樣， T2和 T3 也只分別對 Ce

3、ll2 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算公式為： 為減少放電時間，功率晶體管的導(dǎo)通電阻必須非常小，同時 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)整時的效率會比較高。典型的初始化調(diào)整時間可長達 18小時。如圖 5 所示，如果在充

4、電過程中進行電 池均衡，則充電器提供的電流為 I charge ，而 I charge = I charge +I load 。 電池的實際充電 電流為 I charge，并在負(fù)載電阻斷開時得到最大值。然而，如果在充電階段接入了 負(fù)載電阻，部分充電電流便會流經(jīng)負(fù)載。 在Cell1 的均衡過程中， I charge=I1+I2 ， I2 相對于 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其進行一次性調(diào)整， 該過程 至少需要一個完整的電池包放電， 然后再進行一次完整的充電。 在此之后， 只需 通過在充電時

5、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 100。判斷是否需要調(diào)整的簡單方法是： 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 Cell1 進行放電。 此時電池為 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 忽略不計。電阻上的功耗為 0.42W：4.20V/0.100A=(R1+RT1)=42 P d

6、issipation =IV=0.100A4.20V=0.42W 如果在調(diào)整過程中使用 2,000mAh的電池包，并進行 3 個小時的放電， 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 個小時放電，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 Cell1 的充電電流比其它電池少 100mA。如果充電時間也是 3 小時，其它電池的充電量比 Cell1 多 300mAh，實現(xiàn) 10%的充/ 放電修正。如果調(diào)整時間

7、足夠長，我們可以使用多個充 / 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行調(diào)節(jié) (降低功耗 ) ?？梢栽诔潆姷闹虚g狀態(tài)下 對電池進行均衡處理，而不是完全放電，但這將減少總均衡時間。電池均衡注意事項在放電和充電期間對電池進行均衡時應(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)過程中對電池均衡時，這些功耗不會影響系統(tǒng)的工作時 間，但如果在放電的同時系統(tǒng)處于工作狀態(tài)， 此時進行電池均衡 將產(chǎn)生很多問題。2. 在放電期間進行電池均衡所花時間較長。由于放電速度與負(fù) 載電阻阻值有關(guān)，在系統(tǒng)工作時進行均衡效率低。3.

8、 如果在放電期間進行均衡同時希望均衡時間較短，則需要外接一個導(dǎo)通電阻 較小的功率晶體管，此類晶體管十分普遍，如 MOSFE或T FET。4. 如果希望在放電期間快速均衡，就必須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。如果沒有這個限流電阻， 晶體管會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，晶體管將產(chǎn)生 160W 功耗，晶體管便會像保險絲一樣迅速毀壞。5. 使用阻值低的電阻時需要一個大功率器件，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，為了盡量減少發(fā)熱并降低電阻所承受的 應(yīng)力，應(yīng)該使用功率為 2W

9、的電阻。在理想情況下， 電池均衡電流較小， 可以采用低功率值電阻。 此功耗也可通過在 電池包內(nèi)散熱最多的地方配置多個電阻來解決。b. 在充電期間均衡電池1. 在充電期間測量電池電壓并不準(zhǔn)確，而且會引起過早的電池均衡。因此，必 須周期性地停止充電以便測量電池電壓。2. 充電器的電壓轉(zhuǎn)換和感應(yīng)諧振會造成輸出電壓毛刺。這種情況會引起測量誤 差和電池均衡電流變化，從而影響電池均衡。3. 在充電期間進行均衡還需要一個導(dǎo)通電阻低的外部功率晶體管以實現(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， 在充電期間進行均衡通常是 為了糾正軟短路，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

10、無法將所有的充電電流進行分流，部分電 流會經(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，要求開始 對電池均衡時的電壓較低， 以便有足夠的時間在標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池的安全范圍內(nèi)進 行均衡。電池均衡的建議建議在電池包初次充 / 放電時進行調(diào)整以均衡電池，此后只需要在充電期間進行 均衡。在充電期間進行均衡時， 電池包中的控制器控制充電器的電流 - 通常是 通過電池包中的充電控制 FET來管 理。充電器最好能產(chǎn)生一個相對較短 的電流脈沖，并在脈沖間歇期間測量 電池包和電池電壓。 如果電池包中電 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。在下一個間歇中再次測量電池

11、， 如果已實現(xiàn)了均衡則關(guān)斷晶體管。電流脈沖的持續(xù)時間不一定相同。 如果電池經(jīng)過完全放電， 電流充電過程可能會 持續(xù)更久， 同時對電流的測量頻率將降低。 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， 電池電壓測量頻率增加。 如果充電期間某個電池在 別的電池尚未均衡時便到達過壓狀態(tài)， 則必須通過延長間歇時間并在此期間對電 池進行一段時間放電， 從而使該電池保持在安全區(qū)。 在這種情況下需要經(jīng)過若干 充/ 放電周期，直到所有電池達到相同狀態(tài)。改進充電器的控制十分重要， 以便能按需要增加或降低充電器的電流。 如果充電 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

12、并以較慢 的速率繼續(xù)充電。通過測量每個電池的電壓可以對電池均衡操作進行監(jiān)測。 在監(jiān)測階段很重要一點 是要求負(fù)載必須保持恒定， 以保證在監(jiān)測每個電池電壓時電池包消耗的電流不會 改變。在調(diào)整處理過程的放電期間均衡電池較為簡單： 電池包中的控制器通過控制電池 包放電 FET斷開負(fù)載， 隨后控制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， 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 時的放電期間進行電池均衡比較困難， 改變負(fù)載會影響均衡速度以及電池電壓和 電池包電流測量準(zhǔn)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 算法中，

13、他們采用了一個微控制器和 Xicor X3100 來監(jiān)測單個電池的電壓，并控 制電池包充 / 放電 FET和電池均衡 FET。由于微控制器基于閃存，即使在電池封 裝成包后仍可改變電池均衡算法。 這些改變可以結(jié)合新的均衡參數(shù)或補償電池化 學(xué)性能的變化。均衡器件的性能要求為了實現(xiàn)電池均衡，電池包需要增加一些 器件。這些器件必須能實現(xiàn)以下功能：1. 獨立、精確地監(jiān)測每個電池電壓。 要實 現(xiàn)該功能需要工作電壓最高可達 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電池與其 它電池的電壓差，這要求采用一些硬件比 較器或計算機控制的比較方案 （A/

14、D 轉(zhuǎn)換器+軟件算法 ）。3. 決定電池電壓差并啟動電池均衡，可以采用微控制器或硬件狀態(tài)機。4. 控制電池均衡 FET。這些 FET通常為分立元件，控制信號必須能提供 3V-17V 的門電壓。以上這些器件應(yīng)該盡可能地實現(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集成了一個電平轉(zhuǎn)換器，以及對每個電池電壓進行 監(jiān)測的監(jiān)測器， 該監(jiān)測器為差分運算放大器； 另外，一個模擬多路復(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作； X3100 還提供了 FET驅(qū)動器，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增加鋰電池系統(tǒng)的可用容 量，可提