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功率技術/新能源  

利用電池均衡技術提高鋰離子電池組的容量(下)

上網時間: 2004年01月17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 

在上一期《利用電池均衡技術提高鋰離子電池組的容量》一文中已經闡述了電池均衡、SOC均衡處理、容量╱能量最大化、鋰離子電池自放電、SOC匹配,以及軟短路等概念和技術方法。本文將進一步討論電池均衡原理以及SOC調整,對在放電過程和充電過程中均衡電池提出幾點注意事項以及電池均衡建議,並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。此處假設電晶體T1、T2、T3以及電阻R1、R2和R3為電池監測器的外部元件,實際上可以將它們整合在電池監測器中,但考慮到面積和功耗問題,T1、T2和T3的體積必須縮小。將這些電晶體整合在晶片中可將均衡電流降低到10mA以下,延長失配電池的均衡時間。此外,為避免電池監控器內部發熱引起A/D轉換器和類比調整電路性能退化而產生錯誤測量結果,每次應當只對一個電池進行均衡。

例如,假設在電池放電過程中對Cell1進行均衡,此時充電器斷開,電晶體T2和T3保持切斷,T1導通。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電晶體T1構成的Cell1放電路徑並沒有從Cell2和Cell3吸收電流的結論。因此,電晶體T1只對Cell1進行放電。同樣,T2和T3也只分別對Cell2和Cell3放電。

另一方面,Cell1的放電路徑與負載電阻有關。如果負載電阻比R1+T1高,那麼大部份放電電流會通過功率電晶體T1。然而,如果負載電阻較低,部份放電電流便會通過負載,因而降低了均衡效率。

電池均衡等效放電電阻的運算公式為:

為減少放電時間,功率電晶體的導通電阻必須非常小,同時R1電阻也必須盡可能小。通常負載電阻與系統有關,難以控制。建議選用阻值高過R1+T1的負載電阻,這樣大部份放電電流會通過功率電晶體而不是負載。由於負載電流微乎其微,或者根本沒有,因此首次調整時的效率會比較高。

典型的初始化調整時間可長達18小時。如圖5所示,如果在充電過程中進行電池均衡,則充電器提供的電流為Icharge,而Icharge = I'charge+Iload。電池的實際充電電流為I'charge,並在負載電阻斷開時得到最大值。然而,如果在充電階段接取了負載電阻,部份充電電流便會流經負載。在Cell1的均衡過程中,I'charge=I1+I2,I2相對於I1的大小與功率電晶體T1和電阻R1的阻值之和有關。

SOC調整

SOC調整(conditioning)是指在電池組首次使用前對其進行一次性調整,該過程至少需要一個完整的電池組放電,然後再進行一次完整的充電。在此之後,只需透過在充電時執行一次並不嚴格的均衡程式就可消除因軟短路引起的微小變化。

在初始調節過程中電池組的均衡電流最大。通常,18650鋰離子電池的內部電阻約為100Ω。判斷是否需要調整的簡單方法是:如果Cell1在完全充電後比Cell2和Cell3的容量高出15%,而Cell2和Cell3是匹配的,那麼就需要進行調整。

在調整過程中將負載去掉,並且斷開路徑R1+T1對Cell1進行放電。此時電池為4.2V,流經42Ω均衡電阻的電流為100mA。電晶體的導通電阻通常不到1Ω,可忽略不計。電阻上的功耗為0.42W:

4.20V/0.100A=(R1+RT1)=42Ω

Pdissipation=IV=0.100A×4.20V=0.42W

如果在調整過程中使用2,000mAh的電池組,並進行3個小時的放電,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組,則所需的均衡電流和充╱放電週期都隨之增加。假設電池組為600mAh,均衡電流仍為100mA,電池組透過3個小時放電,可修正5%的不均衡。圖2:現有的電池均衡電路。

下一步是為電池組充電,仍然將T1導通。此時Cell1的充電電流比其它電池少100mA。如果充電時間也是3小時,其它電池的充電量比Cell1多300mAh,實現10%的充╱放電修正。

如果調整時間足夠長,我們可以使用多個充╱放電週期,這樣可修正更多的SOC偏差,也可採用更低的均衡電流進行調節(降低功耗)。可以在充電的中間狀態下對電池進行均衡處理,而不是完全放電,但這將減少總均衡時間。

電池均衡注意事項

在放電和充電期間對電池進行均衡時應分別注意以下問題:

a. 在放電過程中均衡電池

1. 在放電過程中進行電池均衡將消耗掉沒有利用到的功率。而在調節過程中對電池均衡時,這些功耗不會影響系統的工作時間,但如果在放電的同時系統處於工作狀態,此時進行電池均衡將產生很多問題。

2. 在放電期間進行電池均衡所花時間較長。由於放電速度與負載電阻阻值有關,在系統工作時進行均衡效率低。

3. 如果在放電期間進行均衡同時希望均衡時間較短,則需要外接一個導通電阻較小的功率電晶體,此類電晶體十分普遍,如MOSFET或FET。

4.圖3:電池組電池連接。 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電晶體串聯以降低功率電晶體的功耗。如果沒有這個限流電阻,電晶體會很快地消耗掉電池電能。在FET導通電阻為100Ω(此阻值較常見)、電池電壓為4V時,電晶體將產生160W功耗,電晶體便會像保險絲一樣迅速毀壞。

5. 使用阻值低的電阻時需要一個大功率元件,將增加PCB的佔用面積和成本。在上面的例子中,電阻的功耗為0.42W,為了盡量減少發熱並降低電阻所承受的應力,應該使用功率為2W的電阻。

在理想情況下,電池均衡電流較小,可以採用低功率值電阻。此功耗也可透過在電池組內散熱最多的地方配置多個電阻來解決。

b. 在充電期間均衡電池

1. 在充電期間測量電池電壓並不準確,而且會引起過早的電池均衡。因此,必須週期性地停止充電以便測量電池電壓。

2. 充電器的電壓轉換和感應諧振會造成輸出電壓突波。這種情況會引起測量誤差和電池均衡電流變化,因而影響電池均衡。

3. 在充電期間進行均衡還需要一個導通電阻低的外部功率電晶體以實現電池均衡,這將產生在放電期間均衡相同的侷限性。不過,在充電期間進行均衡通常是為了糾正軟短路,因此所需均衡電流較小。

4. 由於未均衡電池的阻值較低,因此無法將所有的充電電流進行分流,部份電流會通過未均衡電池,但比電池組中其它均衡電池的電流要低。因此,要求開始對電池均衡時的電壓較低,以便有足夠的時間在標準鋰離子電池的安全範圍內進行均衡。

電池均衡的建議圖4:圖3中配置的戴維寧等效圖。

建議在電池組初次充╱放電時進行調整以均衡電池,此後只需要在充電期間進行均衡。在充電期間進行均衡時,電池組中的控制器控制充電器的電流-通常是透過電池組中的充電控制FET來管理。充電器最好能產生一個相對較短的電流脈衝,並在脈衝間歇期間測量電池組和電池電壓。如果電池組中電池之間產生了失配,均衡功率電晶體便導通,未均衡電池的充電電流減少。在下一個間歇中再次測量電池,如果已實現了均衡則切斷電晶體。

電流脈衝的持續時間不一定相同。如果電池經過完全放電,電流充電過程可能會持續更久,同時對電流的測量頻率將降低。隨著電池電壓增加,電池接近完全充電容器量,電流脈衝寬度減少,電池電壓測量頻率增加。如果充電期間某個電池在別的電池尚未均衡時便到達過壓狀態,則必須透過延長間歇時間並在此期間對電池進行一段時間放電,因而使該電池保持在安全區。在這種情況下需要經過若干充╱放電週期,直到所有電池達到相同狀態。

改進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設值,電池組所需的充電電流減少,因而降低溫度並以較慢的速率繼續充電。

透過測量每個電池的電壓可以對電池均衡作業進行監測。在監測階段很重要一點是要求負載必須保持?定,以保証在監測每個電池電壓時電池組消耗的電流不會改變。

在調整處理過程的放電期間均衡電池較為簡單:電池組中的控制器透過控制電池組放電FET斷開負載,隨後控制器打開最高電壓電池兩端的電晶體,當該電壓與其它電池電壓匹配時,電晶體切斷。由於負載在不斷變化,因此要想在系統工作時的放電期間進行電池均衡比較困難,改變負載會影響均衡速度以及電池電壓和電池組電流測量準確度。

如上所述,在電池均衡演算法中需要考慮很多因素。在PoweReady公司開發的一個演算法中,他們採用了一個微控制器和Xicor X3100來監測單個電池的電壓,並控制電池組充╱放電FET和電池均衡FET。由於微控制器基於快閃記憶體,即使在電池封裝成包後仍可改變電池均衡演算法。這些改變可以結合新的均衡參數或補償電池化學性能的變化。

均衡元件的性能要求

為了實現電池均衡,電池組需要增加一些元件。這些元件必須能實現以下功能:

1. 獨立、精確地監測每個電池電壓。要實現該功能需要工作電壓最高可達20V、輸入範圍為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,這要求採用一些硬體比較器或電腦控制的比較方案(A/D轉換器+軟體演算法)。

3. 決定電池電壓差並啟動電池均衡,可以採用微控制器或硬體狀態機。

4. 控制電池均衡FET。這些FET通常為分離元件,控制訊號必須能提供3V-17V的閘電壓。

以上這些元件應該盡可能地實現整合,以避免電池組電路的成本增加太多,如X3100安全╱監控IC。X3100整合了一個電平轉換器,以及對每個電池電壓進行監測的監測器,該監測器為差分運算放大器;另外,一個類比多工器允許微控制(具有內建A/D轉換器)讀取每個電池電壓;經由IC中的軟體,電池組可確定需要均衡的差值並採取正確的校正動作;X3100還提供了FET驅動器,因此無需增加電平轉換電路來獲得微控制器的5V電源電壓。

本文小結

電池均衡可以在串聯電池出現充電損耗或容量損耗時增加鋰電池系統的可用容量,可提高電池組的使用壽命。

目前,整合了電池均衡控制功能的元件已經上市,我們可採用這些解決方案在滿足功能設計同時節省成本。X3100等元件整合了電壓監測電路和FET控制元件,使外部微控制器可評估是否需要進行電池均衡。電池組中的微控制器採用電平轉換器以專門演算法來控制FET。透過在微控制器的快閃記憶體中寫入的演算法程式,在電池封裝成電池組後仍可改變電池均衡演算法。這一方法使電池組設計者可使用最新的電池技術來靈活設計電池組,以滿足系統的精確要求。

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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