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锂电池均衡处理技术解决SOC和C/E失配问题

导读: 电池容量的不匹配包括充电状态(SOC)失配和容量/能量(C/E)失配。在两种情况下,电池包的总容量都只能达到最弱电池的容量。在大多数情况下,引起电池失配的原因是工艺控制和检测手段的不完善,而不是锂离子本身的化学属性变化。

        为了给设备提供足够的电压,锂电池包通常由多个电池串联而成,但是如果电池之间的容量失配便会影响整个电池包的容量。为此,我们需要对失配的电池进行均衡。本文讨论了电池均衡的概念和一些注意事项。

        锂电池包通常由一个或几个电池组并联,每个电池组由3到4个电池串联构成。这种组合方式能同时满足笔记本电脑、医疗设备、测试仪器及工业应用所需的电压和功率要求。然而,这种应用普遍的配置通常并不能发挥其最大功效,因为如果某个串联电池的容量与其它电池不匹配将会降低整个电池包的容量。

        电池容量的不匹配包括充电状态(SOC)失配和容量/能量(C/E)失配。在两种情况下,电池包的总容量都只能达到最弱电池的容量。在大多数情况下,引起电池失配的原因是工艺控制和检测手段的不完善,而不是锂离子本身的化学属性变化。棱柱形锂电池(LiIon prismatic cell)在生产时需要更强的机械压力,电池之间更容易产生差异。此外,锂离子聚合物电池也会因为采用新的工艺而出现电池之间的差异。

        采用电池均衡处理技术可解决SOC和C/E失配问题,从而改进串联锂电池包的性能。通过在初始调节过程中对电池进行均衡处理可以矫正电池失配问题,此后只需在充电过程中进行均衡即可,而C/E失配则必须在充、放电过程都进行均衡。尽管对于某个电池厂商而言其产品缺陷率可能很低,但为了避免出现电池使用寿命过短的问题,我们仍然有必要提供进一步的质量保证。

电池均衡的定义

        工作电压为6V 或以上的便携式设备采用串联电池包供电,这种情况下电池包的总电压为各串联电池电压之和。便携式电脑的电池包通常由三、四个电池串联而成,标称电压为 10.8V或14.4V。在大多数此类应用中,单个串联电池包无法提供设备所需能量。目前最大的电池(如18650)可提供2,000mAh(毫安 ·小时)能量,而电脑需要50-60Whr(5,000-6,000mAh)的能量,因此必须给串联的每个电池并联三个电池。

        电池均衡是指对串联电池包中不同的电池(或电池组)采用差分电流。串联电池包中每个电池的电流通常是一样的,因此必须给电池包增加额外的元件和电路来实现电池均衡。只有当电池包中的电池是串联的,同时串联电池等于或大于三级时才会考虑电池均衡问题。当电池包中所有电池都满足下面两个条件时,便实现了电池均衡:

        1. 如果所有电池的容量相同,那么当它们的相对充电状态一样时便实现了电池均衡。SOC通常以当前容量与额定容量的百分比来表示,因此,开路电压(OCV)可 作为SOC的一个衡量标准。如果一个不均衡电池包中的所有电池可以通过差分充电达到满容量(均衡点),它们便可以进行正常的充放电而无需任何额外的调整, 通常这种调整是一次性的。用户在使用新电池时,通常需要求对电池进行长时间充电,这个过程实际上包括一次完整的放-充电。该过程使负载最小化,并使电池充 电时间最长,降低对电池均衡电路的要求。

        2. 如果电池的容量不同,当SOC相同时也认为它们是均衡的。但SOC只是一个相对值,每个电池容量的绝对值是不同的。为了使容量不同的电池的SOC相同,每次对串联电池进行充放电时都必须使用差分电流。正常充放电的时间比初次充放电更短,并需要更大的电流。

        当电池包中的电池不均衡时,它的可用容量将减少,串联电池包中容量最低的电池将决定电池包的总容量。在不均衡电池包中,一个或几个电池会在其它电池尚需充电时便已达到最大容量。而在放电时,未完全充电的电池又会比其它电池先放完电,使电池包因电压不足而提前停止供电。

        通常,电池之间容量的差异低于3%。如果串联锂电池包的某个电池不合标准,或者在封装前放置过久,在充满电后电压差可达150mV,从而使电池包的总容量下降13-18%。

SOC均衡处理

        如果电池包中所有电池的容量相同,我们便采用SOC均衡处理。当所有电池的SOC值相同时我们认为电池是均衡的。

单个电池的充电状态定义为:

SOC=C/CTOTAL%

单个电池的容量定义为:

C=(i×t)mAh

        为了确定某个电池的容量,我们将该电池完全放电然后再充电,并在充电过程中的不同时间进行电流测量,直到达到4.20V的开路电压。最佳性能电池在该状态下的SOC为100%,SOC为50%的OCV电压通常称为VMID,其典型值为3.67V。

        为了给容量不同的电池充电使它们达到同样的SOC,要求一些电池的充/放电量必须比其它电池多,这必须使用差分电流。我们将这个过程称之为容量/能量最大化。

容量/能量最大化

        容量/能量最大化是指将电池包中所有串联电池设置为相同的SOC,即使它们的容量不同。在所有时间内管理SOC,使电池包的输出能量达到最大。为了使输出 能量最大化,所有的电池都必须充满电。即,所有电池的SOC必须为100%。如果电池的容量不同,一些电池的充/放电就会比其它电池更多。例如,假设一个 电池包有三个串联电池,C1>C2=C3。均衡这个电池包的唯一方法是给容量较高的电池(C1)施加一个差分充电电流。

        在电池包放电时也必须如此,否则当容量最小的电池达到关断电压时,整个电池包便会停止放电,而此时其它电池仍有剩余容量,这样使总容量降低。长此以往,容量最小的电池便会比其它电池性能衰退更快,经过多个充/放电周期后将加速容量损耗。

        通过匹配串联电池的电压,将从高容量电池汲取更多电流。放电时要求通过均衡消耗掉一些额外的电压,在最后当所有电池都达到0SOC时,从电池包中获得的总电能相对于均衡前仍然会增加。

        通常圆柱形锂离子电池(cylindrical cell)的质量控制通常都较好,电池容量差别不超过±3%。输入容量基本上比较精确,差别不超过几个mAs(毫安·秒)。因此,电池容量绝对值也基本准确,SOC的差异在几个百分点以内。
 

 

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