鋰電池的均衡的原理和事項(xiàng)

1、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(guò)程和充電過(guò)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(wèn)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(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(guò)程中對(duì) Cell1 進(jìn)行均衡，此時(shí)充電器斷開(kāi)，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(méi)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) 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(huì)經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò) R1+T1的負(fù)載電 阻，這樣大部分放電電流會(huì)經(jīng)過(guò)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(méi)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

4、電過(guò)程中進(jìn)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(shí)際充電 電流為 I charge，并在負(fù)載電阻斷開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)在充電時(shí)

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(guò)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(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(guò)程中將負(fù)載去掉， 并且斷開(kāi)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 忽略不計(jì)。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(guò)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(guò) 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

7、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 ) ?？梢栽诔潆姷闹虚g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(wèn)題：a. 在放電過(guò)程中均衡電池1. 在放電過(guò)程中進(jìn)行電池均衡將消耗掉沒(méi)有利用到的功率。而 在調(diào)節(jié)過(guò)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(wèn)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。3.

8、 如果在放電期間進(jìn)行均衡同時(shí)希望均衡時(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(lèi)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(méi)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(jiàn) ） 、電池電壓為 4V時(shí)，晶體管將產(chǎn)生 160W 功耗，晶體管便會(huì)像保險(xiǎn)絲一樣迅速毀壞。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(guò)在 電池包內(nèi)散熱最多的地方配置多個(gè)電阻來(lái)解決。b. 在充電期間均衡電池1. 在充電期間測(cè)量電池電壓并不準(zhǔn)確，而且會(huì)引起過(guò)早的電池均衡。因此，必 須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。這種情況會(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(guò)， 在充電期間進(jìn)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(wú)法將所有的充電電流進(jìn)行分流，部分電 流會(huì)經(jīng)過(guò)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(kāi)始 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)鋰離子電池的安全范圍內(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)， 電池包中的控制器控制充電器的電流 - 通常是 通過(guò)電池包中的充電控制 FET來(lái)管 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。 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(gè)間歇中再次測(cè)量電池

11、， 如果已實(shí)現(xiàn)了均衡則關(guān)斷晶體管。電流脈沖的持續(xù)時(shí)間不一定相同。 如果電池經(jīng)過(guò)完全放電， 電流充電過(guò)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。 如果充電期間某個(gè)電池在 別的電池尚未均衡時(shí)便到達(dá)過(guò)壓狀態(tài)， 則必須通過(guò)延長(zhǎng)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安全區(qū)。 在這種情況下需要經(jīng)過(guò)若干 充/ 放電周期，直到所有電池達(dá)到相同狀態(tài)。改進(jìn)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(guò)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(guò)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)載必須保持恒定， 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) 改變。在調(diào)整處理過(guò)程的放電期間均衡電池較為簡(jiǎn)單： 電池包中的控制器通過(guò)控制電池 包放電 FET斷開(kāi)負(fù)載， 隨后控制器打開(kāi)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， 改變負(fù)載會(huì)影響均衡速度以及電池電壓和 電池包電流測(cè)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(kāi)發(fā)的一個(gè) 算法中，

13、他們采用了一個(gè)微控制器和 Xicor X3100 來(lái)監(jiān)測(cè)單個(gè)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(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。這些器件必須能實(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(guò) 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(jì)算機(jī)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(dòng)電池均衡，可以采用微控制器或硬件狀態(tài)機(jī)。4. 控制電池均衡 FET。這些 FET通常為分立元件，控制信號(hào)必須能提供 3V-17V 的門(mén)電壓。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(guò) 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(wú) 需增加電平轉(zhuǎn)換電路來(lái)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