電池均衡技術的概念和應用

為了給設備提供足夠的電壓，鋰電池包通常由多個電池串聯(lián)而成，但是如果電池之間的容量失配便會影響整個電池包的容量。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。

鋰電池包通常由一個或幾個電池組并聯(lián)，每個電池組由3到4個電池串聯(lián)構(gòu)成。這種組合方式能同時滿足筆記本電腦、醫(yī)療設備、測試儀器及工業(yè)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并不能發(fā)揮其最大功效，因為如果某個串聯(lián)電池的容量與其它電池不匹配將會降低整個電池包的容量。

電池容量的不匹配包括充電狀態(tài)(SOC)失配和容量/能量(C/E)失配。在兩種情況下，電池包的總?cè)萘慷贾荒苓_到最弱電池的容量。在大多數(shù)情況下，引起電池失配的原因是工藝控制和檢測手段的不完善，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(chǎn)時需要更強的機械壓力，電池之間更容易產(chǎn)生差異。此外，鋰離子聚合物電池也會因為采用新的工藝而出現(xiàn)電池之間的差異。

采用電池均衡處理技術可解決SOC和C/E失配問題，從而改進串聯(lián)鋰電池包的性能。通過在初始調(diào)節(jié)過程中對電池進行均衡處理可以矯正電池失配問題，此后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。盡管對于某個電池廠商而言其產(chǎn)品缺陷率可能很低，但為了避免出現(xiàn)電池使用壽命 過短的問題，我們?nèi)匀挥斜匾峁┻M一步的質(zhì)量保證。

電池均衡的定義

工作電壓為6V 或以上的便攜式設備采用串聯(lián)電池包供電，這種情況下電池包的總電壓為各串聯(lián)電池電壓之和。便攜式電腦的電池包通常由三、四個電池串聯(lián)而成，標稱電壓為 10.8V或14.4V。在大多數(shù)此類應用中，單個串聯(lián)電池包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，因此必須給串聯(lián)的每個電池并聯(lián)三個電池。

電池均衡是指對串聯(lián)電池包中不同的電池(或電池組)采用差分電流。串聯(lián)電池包中每個電池的電流通常是一樣的，因此必須給電池包增加額外的元件和電路來實現(xiàn) 電池均衡。只有當電池包中的電池是串聯(lián)的，同時串聯(lián)電池等于或大于三級時才會考慮電池均衡問題。當電池包中所有電池都滿足下面兩個條件時，便實現(xiàn)了電池均衡：

1. 如果所有電池的容量相同，那么當它們的相對充電狀態(tài)一樣時便實現(xiàn)了電池均衡。SOC通常以當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包中的所有電池可以通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(diào)整，通常這種調(diào)整是一次性的。用戶在使用新電池時，通常需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，并使電池充 電時間最長，降低對電池均衡電路的要求。

2. 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(lián)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，并需要更大的電流。

當電池包中的電池不均衡時，它的可用容量將減少，串聯(lián)電池包中容量最低的電池將決定電池包的總?cè)萘?。在不均衡電池包中，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，使電池包因電壓不足而提前停止供電。

通常，電池之間容量的差異低于3%。如果串聯(lián)鋰電池包的某個電池不合標準，或者在封裝前放置過久，在充滿電后電壓差可達150mV，從而使電池包的總?cè)萘肯陆?3-18%。

SOC均衡處理

如果電池包中所有電池的容量相同，我們便采用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(tài)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后再充電，并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(tài)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包中所有串聯(lián)電池設置為相同的SOC，即使它們的容量不同。在所有時間內(nèi)管理SOC，使電池包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，假設一個電池包有三個串聯(lián)電池，C1＞C2=C3。均衡這個電池包的唯一方法是給容量較高的電池(C1)施加一個差分充電電流。

在電池包放電時也必須如此，否則當容量最小的電池達到關斷電壓時，整個電池包便會停止放電，而此時其它電池仍有剩余容量，這樣使總?cè)萘拷档?。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(jīng)過多個充/放電周期后將加速容量損耗。

通過匹配串聯(lián)電池的電壓，將從高容量電池汲取更多電流。放電時要求通過均衡消耗掉一些額外的電壓，在最后當所有電池都達到0SOC時，從電池包中獲得的總電能相對于均衡前仍然會增加。

通常圓柱形鋰離子電池(cylindrical cell)的質(zhì)量控制通常都較好，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(nèi)。