有源電池平衡技術(shù)幫助增加大型鋰離子電池組供電能力

一些消費類(lèi)應用要求單鋰離子電池(如手機)，或者需要三節串聯(lián)和兩節并聯(lián)電池(如筆記本電腦)。這就引發(fā)了對更高功率、更高容量以及更加穩健電池組的需求。串聯(lián)安裝電池可以提高電壓，而并聯(lián)安裝的電池則可以增加容量。這些電池組數量不一，從筆記本電腦使用的六節電池到電動(dòng)汽車(chē)中使用的數百節電池，這給電池設計人員帶來(lái)許多新的設計困難。

這些大容量電池需要先進(jìn)的管理來(lái)確保獲得高品質(zhì)的設計。我們必須考慮合適的溫度、電壓和電流測量。隨著(zhù)鋰離子電池組越來(lái)越大型，要求更多地關(guān)注散熱管理、電池組可靠性、電池使用壽命和電池平衡。實(shí)際上，隨著(zhù)電池組中所需電池數量的增加，電池單元之間的溫度、容量和串聯(lián)阻抗差異成為一個(gè)重要問(wèn)題。本文將主要討論這些差異帶來(lái)的影響，以及如何在電池設計中控制這些差異。

問(wèn)題：電池狀態(tài)不匹配

電池的作用是為其主機存儲和提供能量。我們想盡可能多地向(從)電池組存儲和獲取能量。妨礙多節電池組完成這一工作的主要方面是電池阻抗。讓我們來(lái)看一看其是如何影響向電池主機供電的。

在鋰離子電池組中，存在一些允許每節串聯(lián)電池達到的預定義電壓最小值和最大值。這是一種由電池組中IC控制的安全特性，請參見(jiàn)圖1A。只要每一節電池均保持在過(guò)壓和欠壓斷開(kāi)范圍之間，則該電池組便能夠放電和充電。如果一節電池達到上述任何一個(gè)閾值，則整個(gè)電池組便會(huì )關(guān)閉(欠壓)，從而讓主機本應可用的電池組處于無(wú)法充電狀態(tài)(請參見(jiàn)圖1B)。另外，它不允許充電器向電池組充入應有的大量能量(請參見(jiàn)圖1C)(過(guò)壓)。

電池不平衡的原因有很多：

* 非均勻熱應力

* 阻抗變量

* 低電池容量匹配

* 化學(xué)差別

這些原因中的有一些可以通過(guò)電池選擇和較好的電池組設計來(lái)得到最小化。即便如此，所有前期設計工作中，電池不平衡的主要原因是非均勻熱應力。電池與電池之間的溫度差異可引起阻抗變量和化學(xué)反應的變化。這就形成了溫度差異，而電池暴露在這種差異下的時(shí)間較長(cháng)。這是一幅筆記本電腦FLIR圖，其表明溫度差異的程度，即便在消費類(lèi)電子應用中也是如此。溫度每升高10℃，一節鋰離子電池的自放電率便翻一番。鋰離子電池的一個(gè)特點(diǎn)是，內部阻抗是溫度的函數。較低溫度的電池表現出高阻抗，因此在充電或放電期間IR壓降更大。這種電阻還隨暴露在高充電狀態(tài)和高溫下持續時(shí)間的增加以及充電周期時(shí)間的延長(cháng)而增大。

解決方案：電池平衡技術(shù)

由于對能量供給的影響，以及串聯(lián)電池應用中存在鋰離子電池過(guò)充電的危險性，必須使用電池平衡技術(shù)來(lái)對失衡進(jìn)行校正。共有兩類(lèi)電池平衡技術(shù)：無(wú)源電池平衡技術(shù)和有源電池平衡技術(shù)。

無(wú)源電池平衡技術(shù)

被稱(chēng)為“電阻泄漏”平衡的無(wú)源電池平衡方法使用一條簡(jiǎn)單的電池放電路徑，在所有電池電壓相等以前一直為高壓電池放電。除其他電池管理功能以外，許多器件都具有電池平衡功能。

諸如bq77PL900等鋰離子電池組保護器主要用于許多無(wú)繩電池供電設備、助力自行車(chē)和輕便摩托車(chē)、不間斷電源以及醫療設備。其電路主要起到一個(gè)獨立電池保護系統的作用，使用5～10節串聯(lián)電池。除通過(guò)I2C端口控制的許多電池管理功能以外，還可將電池電壓同可編程閾值對比以便決定是否需要進(jìn)行電池平衡。如果任何特定電池達到該閾值，則充電停止，并激活一條內部旁路。當高壓電池降至恢復極限值時(shí)，電池平衡停止，而繼續充電。

電池平衡算法只使用電壓發(fā)散作為平衡標準，具有過(guò)平衡(或欠平衡)的缺點(diǎn)，這是由于存在阻抗失衡影響。問(wèn)題是，電池阻抗還會(huì )在充電期間引起電壓差異(VDiff_Start和VDiff_End)。簡(jiǎn)單的電壓電池平衡并未區分是電量失衡還是阻抗失衡。因此，這種平衡不能保證完全充電后所有電池均獲得100%的電量。