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利用電池均衡技術提高鋰離子電池組的容量(上)

上網時間: 2004年01月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:cell balancing  電池均衡  capacity  容量  multi-cell li-ion battery packs 

為了給設備提供足夠的電壓,鋰離子電池組通常由多個電池串聯而成,但是如果電池之間的容量失配便會影響整個電池組的容量。為此,我們需要對失配的電池進行均衡。本文討論了電池均衡的概念和一些注意事項,在下期的文章中將深入討論均衡電路的設計和一次性SOC調整方法。

鋰離子電池組通常由一個或幾個電池組並聯,每個電池組由3到4個電池串聯構成。這種組合方式能同時滿足筆記型電腦、醫療設備、測試儀器及產業應用所需的電壓和功率要求。然而,這種應用普遍的配置通常並不能發揮其最大功效,因為如果某個串聯電池的容量與其它電池不匹配將會降低整個電池組的容量。

電池容量的不匹配包括充電狀態(SOC)失配和容量/能量(C/E)失配。在兩種情況下,電池組的總容量都只能達到最弱電池的容量。在大多數情況下,引起電池失配的原因是製程控制和檢測方法的不完善,而不是鋰離子本身的化學屬性變化。棱柱形鋰電池(LiIon prismatic cell)在生產時需要更強的機械壓力,電池之間更容易產生差異。此外,鋰離子聚合物電池也會因為採用新的製程而出現電池之間的差異。

採用電池均衡處理技術可解決SOC和C/E失配問題,因而改進串聯鋰電池組的性能。透過在初始調節過程中對電池進行均衡處理可以矯正電池失配問題,此後只需在充電過程中進行均衡即可,而C/E失配則必須在充、放電過程都進行均衡。儘管對於某個電池廠商而言其產品缺陷率可能很低,但為了避免出現電池使用壽命過短的問題,我們仍然有必要提供進一步的質量保証。

電池均衡的定義

工作電壓為6V或以上的可攜式設備採用串聯電池組供電,這種情況下電池組的總電壓為各串聯電池電壓之和。可攜式電腦的電池組通常由三、四個電池串聯而成,標稱電壓為10.8V或14.4V。在大多數此類應用中,單個串聯電池組無法提供設備所需能量。目前最大的電池(如18650)可提供2,000mAh(毫安•小時)能量,而電腦需要50-60Whr(5,000-6,000mAh)的能量,因此必須為串聯的每個電池並聯三個電池。

電池均衡是指對串聯電池組中不同的電池(或電池組)採用差分電流。串聯電池組中每個電池的電流通常是一樣的,因此必須為電池組增加額外的元件和電路來實現電池均衡。只有當電池組中的電池是串聯的,同時串聯電池等於或大於三級時才會考慮電池均衡問題。當電池組中所有電池都滿足下面兩個條件時,便實現了電池均衡:

1. 如果所有電池的容量相同,那麼當它們的相對充電狀態一樣時便實現了電池均衡。SOC通常以目前容量與額定容量的百分比來表示,因此,開路電壓(OCV)可作為SOC的一個衡量標準。如果一個不均衡電池組中的所有電池可以透過差分充電達到滿容量(均衡點),它們便可以進行正常的充放電而無需任何額外的調整,通常這種調整是一次性的。用戶在使用新電池時,通常要求對電池進行長時間充電,這個過程實際上包括一次完整的放-充電。該過程使負載最小化,並使電池充電時間達到最長,降低對電池均衡電路的要求。

2.圖1a:不均衡狀態下由軟短路引起的電池組容量損耗。 如果電池的容量不同,當SOC相同時也認為它們是均衡的。但SOC只是一個相對值,每個電池容量的絕對值是不同的。為了使容量不同的電池的SOC相同,每次對串聯電池進行充放電時都必須使用差分電流。正常充放電的時間比初次充放電更短,並需要更大的電流。

當電池組中的電池不均衡時,它的可用容量將減少,串聯電池組中容量最低的電池將決定電池組的總容量。在不均衡電池組中,一個或幾個電池會在其它電池尚需充電時便已達到最大容量。而在放電時,未完全充電的電池又會比其它電池先放完電,使電池組因電壓不足而提前停止供電。

通常,電池之間容量的差異低於3%。如果串聯鋰電池組的某個電池不合標準,或者在封裝前放置過久,在充滿電後電壓差可達150mV,因而使電池組的總容量下降13-18%。

SOC均衡處理

如果電池組中所有電池的容量相同,我們便採用SOC均衡處理。當所有電池的SOC值相同時我們認為電池是均衡的。

單個電池的充電狀態定義為:


SOC=C/CTOTAL%

單個電池的容量定義為:


C=(i×t)mAh

為了確定某個電池的容量,我們將該電池完全放電然後再充電,並在充電過程中的不同時間進行電流測量,直到達到4.20V的開路電壓。最佳性能電池在該狀態下的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組中所有串聯電池設置為相同的SOC,即使它們的容量不同。在所有時間內管理SOC,使電池組的輸出能量達到最大。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╱放電就會比其它電池更多。例如,假設一個電池組有三個串聯電池,C1>C2=C3。均衡這個電池組的唯一方法是對容量較高的電池(C1)施加一個差分充電電流。

在電池組放電時也必須如此,否則當容量最小的電池達到切斷電壓時,整個電池組便會停止放電,而此時其它電池仍有剩餘容量,這樣使總容量降低。長此以往,容量最小的電池便會比其它電池性能衰退更快,經過多個充╱放電週期後將加速容量損耗。

藉由匹配串聯電池的電壓,將從高容量電池汲取更多電流。放電時要求透過均衡消耗掉一些額外的電壓,在最後當所有電池都達到0SOC時,從電池組中獲得的總電能相對於均衡前仍然會增加。

通常圓柱形鋰離子電池(cylindrical cell)的品質控制通常都較好,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mAs(毫安•秒)。因此,電池容量絕對值也基本準確,SOC的差異在幾個百分點以內。

鋰離子電池自放電及SOC匹配

鋰離子材料的化學屬性本身並不會造成電池不均衡問題,也不具有可逆自放電機理。但是,鋰離子電池還必須經過一個過程才能使性能穩定,並將產生不可逆損耗,多數此類損耗都出現在電池出廠之前。高溫放電以及在室溫下放置過久也會出現少量此類不可逆損耗,這種損耗的最大比例在10%以內。所有同時入庫或同時使用的電池產生這種損耗的機率一樣,因此這種情況不會引起電池不均衡問題。在出現不可逆損耗時還伴隨著少量可逆損耗,二者之間存在著某種比例關係。大部份在工廠中出現的可逆損耗在進行電池容量分類前已經被再次充電,因此這類損耗非常小,而且每個電池都一樣,不會引起電池不均衡問題。

引起電池不均衡的另一個原因是電池在裝配前被閒置過久,而如果將若干批生產時間不同的電池放到同一個電池組中將會加重這種不均衡。在這種情況下,經過容量分類但尚未裝配的具有不同可逆損耗的電池將隨著時間的推移累計更大的差異。即使在裝配成電池組後,如果包中的電池變化很大(尤其是當電池組放置過久),隨著時間推移,電池組內的電池不均衡也會加重。

軟短路

軟短路(soft short)是引起某些電池不均衡的主要原因。在電池生產時的細微瑕疵可能使電池出現40KΩ以上的短路電阻,由這種高阻抗引起的自放電速率可達0.1mA或每月3%。一些出廠時合格的電池也可能產生軟短路問題,但多數電池不會出現這種情況,因而可將容量保持若干年。嚴格來說,軟短路是一種機電變化,如果電池組僅由單個電池構成,那麼這個電池可以反覆充電而不會出現容量損耗。然而,在串聯電池組中出現軟短路的電池每月會損耗3%的容量,而其它電池則毫無損耗。

電池組中電池的SOC不一樣時會降低總容量。在未出現相應的容量降低之前,電池組使用時需要進行一次調整,入庫保存後再經常不定期調整,這樣便可恢復最初的容量損耗。同時,在每次充電過程中只需要進行較為簡單的均衡,以避免重新產生失配。這些連續調整通常用戶是根本不能覺察到。初次使用後,以後的放電過程便不再需要均衡處理。

例如,假設一個電池組中有兩個串聯電池C1和C2,C1每個月放電3%,三個月後起SOC值從40%下降到31%。C2沒有軟短路,因此SOC保持為40%。充電時,C2的SOC恢復到100%,而C1只能恢復到91%。放電時,C1的SOC到達0%時C2還剩餘9%。因此電池組產生了9%的損耗。圖1b:均衡狀態下由軟短路引起的電池組容量損耗。

如果對C1施加一個差分電流進行均衡,則兩個電池以及整個電池組都將恢復滿容量。C1的損耗沒有使電池組的容量降低,如圖1a和1b所示。

電池容量退化

容量退化是由於生產或製程差異而導致的電池容量降低,通常在生產過程中出現這種情況的可能性極小。此外,同批生產的電池性能通常一樣,因此,大多數電池組中的電池不會出現不均衡問題。然而,電池可能會偶然出現很小的缺陷,如果在這種情況下電池組工作的溫度變化較大,那麼某些電池就會比其它電池性能降低得更快。例如,用於電腦的電池組的面積很大,因此電池組的某部份會靠近電源或CPU,這部份電池比其它電池受熱更多。此類問題可透過電池均衡來彌補,這種均衡處理必須在充電和放電過程中實現,該過程稱為容量╱能量最大化。然而,這在實際應用中很難實現,同時不夠直觀,容量╱能量最大化問題還有待進一步深入研究。

保持電池均衡

監測電池的電壓和溫度可追蹤電池的電壓變化,當電池電壓變化超過10mV時,電路便啟動均衡處理來對電池組中不同的電池電壓進行匹配。

這種均衡是透過分流需要均衡的電池(電壓最高的電池)電流來實現的。通常,將一個功率電晶體和限流電阻串聯後,再與電池組中的每個電池並聯來控制均衡過程。在充電過程中導通功率電晶體,將該電池的電流部份分流,因而使它的充電速度比其它電池慢。在放電過程中導通功率電晶體,增加該電池的有效負載,使它的放電速度比其它電池快,因而在充╱放電模式下對電池進行均衡。

外部電晶體的功耗

均衡電路設計時必須注意功率電晶體和限流電阻的選擇,以使電流保持在合理的範圍內。如果均衡電流過高,功耗會很大,引起電池組升溫或增加元件負擔;相反,如果均衡電流過低,就需要較長的時間或多個週期才能起到均衡作用,因而降低電池均衡效率,甚至失去意義。

在決定電流大小時要注意不均衡程度、可用時間以及電池容量三項:

1.將合理的電池均衡量定為10-20%的電池容量。對於軟短路情況,這相當於以每月3%的放電速率持續3-6個月;對於週期時間不均衡,這相當於100個週期的16%容量損耗。

2. 電池均衡所需的合理時間可短至僅1個充╱放電週期。SOC不均衡需要較長的時間,最多可達18個小時(這18個小時並非完全用於充電,而是一個至少包括一次充、放電的調整過程。也可能是多個充╱放電週期)。容量不均衡通常需要充電1小時,並且至少放電2.5小時。

3. 18650具有最高的容量,為2,000mAh,通常最多採用3個電池並聯。因此,修正20%容量不均衡所需的最大均衡電流為IBALANCE=(20%×2000mAh×3)/1.0hr=1200mA

為了實現這一程度的均衡,電池組的調整必須藉由較長時間。假設充電時間為1小時,放電時間為3小時,則經過兩次充╱放電週期便可獲得8小時的均衡處理,這要求均衡電流為150mA,這個電流相當高。例如,如果電池為4V,均衡電源為150mA時的功耗可達0.6W。最好的折衷方法是將電池均衡電流控制在50mA-150mA之間,同時將初始均衡持續多個週期。

作者:Carlos Martinez


Xicor公司


Email: cmartinez@xicor.com


Dave Sorlien


Poweready公司


Doug Magnuson


Gold Peak Industries NA公司




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