電池均衡技術(shù)的概念和應(yīng)用

　　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。本文討論了電池均衡的概念和一些注意事項(xiàng)。

　　鋰電池包通常由一個(gè)或幾個(gè)電池組并聯(lián)，每個(gè)電池組由3到4個(gè)電池串聯(lián)構(gòu)成。這種組合方式能同時(shí)滿足筆記本電腦、醫(yī)療設(shè)備、測(cè)試儀器及工業(yè)應(yīng)用所需的電壓和功率要求。然而，這種應(yīng)用普遍的配置通常并不能發(fā)揮其最大功效，因?yàn)槿绻硞€(gè)串聯(lián)電池的容量與其它電池不匹配將會(huì)降低整個(gè)電池包的容量。

　　電池容量的不匹配包括充電狀態(tài)(SOC)失配和容量/能量(C/E)失配。在兩種情況下，電池包的總?cè)萘慷贾荒苓_(dá)到最弱電池的容量。在大多數(shù)情況下，引起電池失配的原因是工藝控制和檢測(cè)手段的不完善，而不是鋰離子本身的化學(xué)屬性變化。棱柱形鋰電池(LiIon prismatic cell)在生產(chǎn)時(shí)需要更強(qiáng)的機(jī)械壓力，電池之間更容易產(chǎn)生差異。此外，鋰離子聚合物電池也會(huì)因?yàn)椴捎眯碌墓に嚩霈F(xiàn)電池之間的差異。

　　采用電池均衡處理技術(shù)可解決SOC和C/E失配問題，從而改進(jìn)串聯(lián)鋰電池包的性能。通過在初始調(diào)節(jié)過程中對(duì)電池進(jìn)行均衡處理可以矯正電池失配問題，此后只需在充電過程中進(jìn)行均衡即可，而C/E失配則必須在充、放電過程都進(jìn)行均衡。盡管對(duì)于某個(gè)電池廠商而言其產(chǎn)品缺陷率可能很低，但為了避免出現(xiàn)電池使用壽命 過短的問題，我們?nèi)匀挥斜匾峁┻M(jìn)一步的質(zhì)量保證。

　　電池均衡的定義

　　工作電壓為6V 或以上的便攜式設(shè)備采用串聯(lián)電池包供電，這種情況下電池包的總電壓為各串聯(lián)電池電壓之和。便攜式電腦的電池包通常由三、四個(gè)電池串聯(lián)而成，標(biāo)稱電壓為 10.8V或14.4V。在大多數(shù)此類應(yīng)用中，單個(gè)串聯(lián)電池包無(wú)法提供設(shè)備所需能量。目前最大的電池(如18650)可提供2,000mAh(毫安 ·小時(shí))能量，而電腦需要50-60Whr(5,000-6,000mAh)的能量，因此必須給串聯(lián)的每個(gè)電池并聯(lián)三個(gè)電池。

　　電池均衡是指對(duì)串聯(lián)電池包中不同的電池(或電池組)采用差分電流。串聯(lián)電池包中每個(gè)電池的電流通常是一樣的，因此必須給電池包增加額外的元件和電路來(lái)實(shí)現(xiàn) 電池均衡。只有當(dāng)電池包中的電池是串聯(lián)的，同時(shí)串聯(lián)電池等于或大于三級(jí)時(shí)才會(huì)考慮電池均衡問題。當(dāng)電池包中所有電池都滿足下面兩個(gè)條件時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了電池均衡：

　　1. 如果所有電池的容量相同，那么當(dāng)它們的相對(duì)充電狀態(tài)一樣時(shí)便實(shí)現(xiàn)了電池均衡。SOC通常以當(dāng)前容量與額定容量的百分比來(lái)表示，因此，開路電壓(OCV)可作為SOC的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。如果一個(gè)不均衡電池包中的所有電池可以通過差分充電達(dá)到滿容量(均衡點(diǎn))，它們便可以進(jìn)行正常的充放電而無(wú)需任何額外的調(diào)整，通常這種調(diào)整是一次性的。用戶在使用新電池時(shí)，通常需要求對(duì)電池進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間充電，這個(gè)過程實(shí)際上包括一次完整的放-充電。該過程使負(fù)載最小化，并使電池充 電時(shí)間最長(zhǎng)，降低對(duì)電池均衡電路的要求。

　　2. 如果電池的容量不同，當(dāng)SOC相同時(shí)也認(rèn)為它們是均衡的。但SOC只是一個(gè)相對(duì)值，每個(gè)電池容量的絕對(duì)值是不同的。為了使容量不同的電池的SOC相同，每次對(duì)串聯(lián)電池進(jìn)行充放電時(shí)都必須使用差分電流。正常充放電的時(shí)間比初次充放電更短，并需要更大的電流。

　　當(dāng)電池包中的電池不均衡時(shí)，它的可用容量將減少，串聯(lián)電池包中容量最低的電池將決定電池包的總?cè)萘?。在不均衡電池包中，一個(gè)或幾個(gè)電池會(huì)在其它電池尚需充電時(shí)便已達(dá)到最大容量。而在放電時(shí)，未完全充電的電池又會(huì)比其它電池先放完電，使電池包因電壓不足而提前停止供電。

　　通常，電池之間容量的差異低于3%。如果串聯(lián)鋰電池包的某個(gè)電池不合標(biāo)準(zhǔn)，或者在封裝前放置過久，在充滿電后電壓差可達(dá)150mV，從而使電池包的總?cè)萘肯陆?3-18%。

　　SOC均衡處理

　　如果電池包中所有電池的容量相同，我們便采用SOC均衡處理。當(dāng)所有電池的SOC值相同時(shí)我們認(rèn)為電池是均衡的。

　　單個(gè)電池的充電狀態(tài)定義為：

　　SOC=C/CTOTAL%

　　單個(gè)電池的容量定義為：

　　C=(i×t)mAh

　　為了確定某個(gè)電池的容量，我們將該電池完全放電然后再充電，并在充電過程中的不同時(shí)間進(jìn)行電流測(cè)量，直到達(dá)到4.20V的開路電壓。最佳性能電池在該狀態(tài)下的SOC為100%，SOC為50%的OCV電壓通常稱為VMID，其典型值為3.67V。

　　為了給容量不同的電池充電使它們達(dá)到同樣的SOC，要求一些電池的充/放電量必須比其它電池多，這必須使用差分電流。我們將這個(gè)過程稱之為容量/能量最大化。 

       容量/能量最大化 

　　容量/能量最大化是指將電池包中所有串聯(lián)電池設(shè)置為相同的SOC，即使它們的容量不同。在所有時(shí)間內(nèi)管理SOC，使電池包的輸出能量達(dá)到最大。為了使輸出能量最大化，所有的電池都必須充滿電。即，所有電池的SOC必須為100%。如果電池的容量不同，一些電池的充/放電就會(huì)比其它電池更多。例如，假設(shè)一個(gè)電池包有三個(gè)串聯(lián)電池，C1＞C2=C3。均衡這個(gè)電池包的唯一方法是給容量較高的電池(C1)施加一個(gè)差分充電電流。 

　　在電池包放電時(shí)也必須如此，否則當(dāng)容量最小的電池達(dá)到關(guān)斷電壓時(shí)，整個(gè)電池包便會(huì)停止放電，而此時(shí)其它電池仍有剩余容量，這樣使總?cè)萘拷档?。長(zhǎng)此以往，容量最小的電池便會(huì)比其它電池性能衰退更快，經(jīng)過多個(gè)充/放電周期后將加速容量損耗。

　　通過匹配串聯(lián)電池的電壓，將從高容量電池汲取更多電流。放電時(shí)要求通過均衡消耗掉一些額外的電壓，在最后當(dāng)所有電池都達(dá)到0SOC時(shí)，從電池包中獲得的總電能相對(duì)于均衡前仍然會(huì)增加。

　　通常圓柱形鋰離子電池(cylindrical cell)的質(zhì)量控制通常都較好，電池容量差別不超過±3%。輸入容量基本上比較精確，差別不超過幾個(gè)mAs(毫安·秒)。因此，電池容量絕對(duì)值也基本準(zhǔn)確，SOC的差異在幾個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)。