實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的電池平衡

鋰離子電池最早出現(xiàn)于1991年并成為許多應(yīng)用領(lǐng)域的首選技術(shù)，這些領(lǐng)域包括衛(wèi)星、地面車(chē)輛以及模型飛機(jī)，另外還有筆記本電腦和手機(jī)。這主要?dú)w功于鋰離子電池突出的能量密度，也就是所儲(chǔ)存能量和重量的比值。

電壓降

鋰離子電池被設(shè)計(jì)用來(lái)提供大約 3.0～+4.3V的電壓。始終保持鋰離子電池的電壓在其設(shè)計(jì)界限之內(nèi)非常重要，否則電池會(huì)遭受不可修復(fù)的損壞。如果電池的電壓降到3.0V以下，其將進(jìn)入深放電狀態(tài)，一旦進(jìn)入這種狀態(tài)，就需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天才能恢復(fù)。

實(shí)際上，深放電可能會(huì)造成電池短路，而電池一旦短路就無(wú)法恢復(fù)。過(guò)充電使電壓高于4.3V可能會(huì)更糟糕，因?yàn)檫@樣做會(huì)破壞電池，造成過(guò)熱或其他災(zāi)難性的后果。在只使用1塊鋰離子電池的簡(jiǎn)單應(yīng)用中，電子控制電路必須保護(hù)電池，當(dāng)電池電壓降低到3.2V以下就斷開(kāi)負(fù)載，并在充電時(shí)保證電壓低于4.2V。

鋰離子電池結(jié)構(gòu)

鋰離子電池是由2個(gè)或更多個(gè)電池串聯(lián)構(gòu)成的。在這種結(jié)構(gòu)中，電池電壓等于單個(gè)電池電壓之和。例如，96V的電池是通過(guò)將24塊鋰離子電池串聯(lián)得到的。加上負(fù)載之后，負(fù)載的電流是由串聯(lián)的24塊電池共同提供。如果對(duì)電池進(jìn)行充電，充電器需要向串聯(lián)的電池組提供充電電流。在這兩種情況下，所有電池的放電和充電電流是相同的。

在整個(gè)生命周期內(nèi)，電池可能會(huì)進(jìn)行數(shù)百次甚至數(shù)千次的充放電。此時(shí)，各個(gè)電池的老化可能會(huì)有所不同。有些電池會(huì)變得與其他電池有些失配(或者更嚴(yán)重一些)。如果這種現(xiàn)象沒(méi)有得到改善，一個(gè)或多個(gè)電池可能會(huì)欠充電或過(guò)充電，這兩種現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致電池失效。

平衡

改善這種狀況的方法被稱(chēng)為平衡。平衡是強(qiáng)制所有電池具有相同電壓的過(guò)程。這是通過(guò)平衡電路實(shí)現(xiàn)的。

Aeroflex平衡電路使用共享總線，這個(gè)總線的電壓等于所有電池的平均電壓。平衡電路由那些超過(guò)共享總線電壓的電池充電并將電能注入到電壓較低的電池，這個(gè)工作是通過(guò)高效率的雙邊DC/AC轉(zhuǎn)換器來(lái)完成的。

平衡電流的大小與電壓差成正比，也就是說(shuō)，隨著電池越來(lái)越接近理想平衡狀態(tài)，平衡電流將趨近于0。圖1顯示了一個(gè)用于5個(gè)電池的平衡電路，其中，1Ω電阻確定了傳輸比，也就是不平衡電壓與平衡電流的比值。

圖1 使用串行共享總線實(shí)現(xiàn)的5電池的平衡電路

對(duì)于容量較大(通常20Ah或更高)的電池而言，為了將達(dá)到平衡的時(shí)間減到最短，需要高達(dá)1A的平衡電流。對(duì)這些應(yīng)用而言，雙邊DC/AC轉(zhuǎn)換器電路通過(guò)平面變壓器工作在100kHz的頻率附近。

電池電子單元

每個(gè)電路都是帶有諧振復(fù)位信號(hào)的前向轉(zhuǎn)換器，而開(kāi)關(guān)頻率是由鎖相環(huán)控制的，以便提供精確的低損耗開(kāi)關(guān)和高效率。圖2顯示了使用這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的面向24 cell鋰離子電池衛(wèi)星應(yīng)用的電池電子單元(BEU)。這個(gè)BEU也提供了單個(gè)電池的電壓監(jiān)控功能，單個(gè)電池電壓的精度為10mV，這個(gè)數(shù)據(jù)是使用12位A/D和串行數(shù)據(jù)遙測(cè)技術(shù)測(cè)得的。

圖2 面向帶有2 cell電池應(yīng)用的雙冗余BEU

對(duì)于較小的電池而言，使用平衡電流較小但是傳輸率比較高的電路比較合適。圖3顯示了一個(gè)小電流電池平衡器，Aeroflex的8645-13模塊。這是個(gè)6英寸×2.3英寸的電路卡，用于平衡13個(gè)電池。這個(gè)電池平衡器嵌入在電池封裝內(nèi)部，不提供監(jiān)視功能。

圖3 用于13 cell電池的小電流平衡器

平衡的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)使用電池平衡，系統(tǒng)工程師能夠根據(jù)應(yīng)用選擇容量更大的電池，這是因?yàn)槠胶饽軌蚴闺姵貙?shí)現(xiàn)更高的荷電狀態(tài)(SOC)。如果不使用電池平衡功能，保守的設(shè)計(jì)無(wú)法讓SOC接近100%。

這些電池是串聯(lián)在一起的，所有電池的充電電流都相等。充電器監(jiān)視總電池電壓并繼續(xù)充電，直到達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電壓，通常是每個(gè)電池4.2V。

例如，10 cell電池可能要充電到42V才能達(dá)到100%的SOC。如果電池之間沒(méi)有平衡，就無(wú)法保證每個(gè)電池電壓都精確地等于4.2V。例如，可能其中某個(gè)電池被充電到4.4V，有可能變?yōu)檫^(guò)充電狀態(tài)或被損壞。因此，沒(méi)有采取平衡措施的電池的SOC必須遠(yuǎn)低于100%，以便確保不會(huì)存在一個(gè)或多個(gè)電池過(guò)充電。

另一方面，在采取了正確平衡措施的電池中，所有電池的電壓都非常接近于電池的平均電壓，就有可能通過(guò)測(cè)量電池總電壓的充電電路將電池的SOC充電至接近100%。

因此，在沒(méi)有電池平衡的應(yīng)用中，電池的SOC通常在20%～80%的范圍中，利用率只有60%。如果增加了平衡措施，SOC范圍可能是5%～95%，利用率增加到了90%。因此，電池平衡系統(tǒng)使得實(shí)現(xiàn)相同輸出容量的電池體積減小很多。這樣可以大大減少總體重量，即使將平衡器的重量計(jì)算在內(nèi)也很劃算。