電池均衡原理

  右圖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.電池的電路連接如右圖所示,而圖下方所示的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)間可長達(dá)18小時(shí).如右圖所示,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)=42Ω Pdissipation=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,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.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. 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,此類晶體管十分普遍,如MOSFET或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(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100Ω(此阻值較常見)、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(gè)電阻來解決.

  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,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,因此無法將所有的充電電流進(jìn)行分流,部分電流會(huì)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(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 -- 通常是通過電池包中的充電控制FET來管理.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,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)過完全放電,電流充電過程可能會(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)過壓狀態(tài),則必須通過延長間歇時(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了預(yù)設(shè)值,電池包所需的充電電流減小,從而降低溫度并以較慢的速率繼續(xù)充電.

  通過測(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(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公司開發(fā)的一個(gè)算法中,他們采用了一個(gè)微控制器和Xicor X3100來監(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/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,使外部微控制器可評(píng)估是否需要進(jìn)行電池均衡.電池包中的微控制器采用電平轉(zhuǎn)換器以專門算法來控制FET.通過在微控制器的閃存中寫入的算法程序,在電池封裝成電池包后仍可改變電池均衡算法.這一方法使電池包設(shè)計(jì)者可使用最新的電池技術(shù)來靈活設(shè)計(jì)電池包,以滿足系統(tǒng)的精確要求.