鋰離子電池組均衡和保護(hù)的關(guān)系研究

引言

近年來(lái)，越來(lái)越多的產(chǎn)品采用鋰離子電池做為主要電源，主要是由于鋰離子電池具有體積小，能量密度高，無(wú)記憶效應(yīng)，循環(huán)壽命高，自放電率低等優(yōu)點(diǎn)；但同時(shí)鋰離子電池對(duì)充放電要求很高，當(dāng)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)電流及短路等情況發(fā)生時(shí)，鋰離子電池壓力與熱量大量增加，容易產(chǎn)生火花、燃燒甚至爆炸，因此，鋰離子電池?zé)o一例外地都加有過(guò)充放電保護(hù)電路。另外，當(dāng)對(duì)一組鋰離子電池充放電時(shí)，考慮到各個(gè)單體電池的不一致性，可采取均衡措施來(lái)確保安全性和穩(wěn)定性。本文主要分析了均衡處理的重要性，實(shí)現(xiàn)方法，及與保護(hù)處理的關(guān)系。

均衡電路

均衡的意義就是利用電子技術(shù)，使鋰離子電池單體電壓偏差保持在預(yù)期的范圍內(nèi)，從而保證每個(gè)單體電池在正常的使用時(shí)不發(fā)生損壞。若不進(jìn)行均衡控制，隨著充放電循環(huán)的增加，各單體電池電壓逐漸分化，使用壽命將大大縮減。

一般情況下，充電時(shí)鋰離子電池單體電壓的偏差在50mV范圍是完全可以接受的。造成單體電池電壓偏差的主要原因一方面是單體電池存在差異，另一方面測(cè)量的電子電路消耗所造成的。

均衡的方法有很多種，譬如開關(guān)電容均衡法，降壓型變換器法，平均電壓均衡法，在這里就不一一贅述。本文采用的是平均電壓均衡法，原理框圖見(jiàn)圖1，圖中只給出了一只單體電池的均衡電路，其它各單體電池也配備相同的均衡電路，其中放大器由單體電池供電。

這種均衡控制電路的思路是：?jiǎn)误w電池電壓與平均單體電池電壓相比較，控制功率開關(guān)將電池電壓高于平均電壓的單體電池分流。因此，所有單體電池電壓在均衡電路的作用下趨向平均電池電壓。

此電路初看起來(lái)是開環(huán)控制，實(shí)際上由于電池內(nèi)阻的作用，均衡電路工作在具有負(fù)反饋特性的閉環(huán)狀態(tài)。為了防止均衡電路在電池組放電時(shí)工作，可以在功率開關(guān)下端串聯(lián)穩(wěn)壓二極管，這樣在電池放電時(shí)，電池電壓較低而失去分流回路。

保護(hù)和均衡的關(guān)系

設(shè)每節(jié)電池的當(dāng)前電壓為Vbati(i=1-7)，最大電壓為Vmaxi(i=l-7)，最小電壓為Vmini(i=1-7)，總當(dāng)前電壓為Vall，總最大電壓為Vmax，總最小電壓為Vmin。則有：

總體電壓與變化最大的單體電壓密切相關(guān)。所以，我們的重點(diǎn)就放在處理電壓變化率大的電池上，選擇七節(jié)相對(duì)匹配度高的電池，使所有電池的變化趨于一致，盡可能避免因?yàn)槟彻?jié)電池的電壓變化率太大造成的整體失調(diào)問(wèn)題。

均衡的作用是滿足(4)式，并且用它來(lái)控制分流，以達(dá)到最終所有電池都充滿的這一理想狀態(tài)。保護(hù)的作用是滿足(2)(3)式，對(duì)單節(jié)電池的最大電壓和最小電壓進(jìn)行控制，以達(dá)到總體電池電壓的安全范圍。為了凸現(xiàn)保護(hù)和均衡各自的作用，本文采用了獨(dú)立自由元分析法。

僅有保護(hù)的情況

由于電池組內(nèi)單體電池間的差異，在串聯(lián)充放電時(shí)特性會(huì)有所不同，所以需要保護(hù)。有了保護(hù)，使用的安全性才有保障。

但同時(shí)引入了一個(gè)新問(wèn)題：總體電壓不能反映單節(jié)電池的電壓。假設(shè)總體電壓Vall為28.0V，過(guò)充電保護(hù)檢測(cè)電壓Vmaxi(i=1-7為4.2V，并且有3節(jié)已經(jīng)處于充電保護(hù)狀態(tài)；這時(shí)由(1)式，可以很容易計(jì)算出剩下的4節(jié)電池平均電壓為3.85V，還可以繼續(xù)充電，所以就不能以28.0V作為標(biāo)志來(lái)從總體上終止充電。進(jìn)一步分析，29.4V也不能作為標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橐?9.4V作為標(biāo)準(zhǔn)意味著7節(jié)電池都處于充電保護(hù)狀態(tài)，一旦某一節(jié)到不了4.2V，就會(huì)形成死循環(huán)。綜上可知，充電的終止標(biāo)志無(wú)法明確給出，應(yīng)該比29.4V小，下限由正常工作的電壓決定。

在本文里，采用了MM1414的方法[1]，對(duì)七節(jié)電池進(jìn)行了保護(hù)(見(jiàn)圖2)。

采用圖2的保護(hù)電路，得到的測(cè)試結(jié)果示于表1。

僅有均衡的情況

均衡的作用是使各單體電池的當(dāng)前電壓趨干一致[2]。實(shí)現(xiàn)了均衡，總體電壓就可以作為一個(gè)終止充電的標(biāo)志。均衡在這里是電壓均衡，其實(shí)電壓并不能線性反映電池容量的變化，所以這樣的均衡最終只是實(shí)現(xiàn)了所有電池電壓的接近一致性，而不是電池容量的一致性。另一方面，即使容量相同，其充放電特性也不會(huì)完全一致，這也會(huì)造成均衡的不協(xié)調(diào)性。

在本文里，采用平均電壓均衡法，對(duì)七節(jié)電池進(jìn)行處理，如圖3。

采用圖3的電路，得到的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

既有保護(hù)又有均衡的分析

經(jīng)過(guò)上面的分析，對(duì)于鋰離子電池組，均衡和保護(hù)都是必要的。所以，在本文里最后把保護(hù)和均衡同時(shí)做到一個(gè)電路里，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是比較理想的。

一方面，均衡基本上可以使個(gè)單體電池的電壓趨于一致，不存在某一單體電壓太高或太低的情況；另一方面，保護(hù)使得電池組整體系統(tǒng)更可靠，更安全。

結(jié)語(yǔ)

本文著重分析了鋰離子電池組的均衡和保護(hù)的關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，均衡和保護(hù)都有其相應(yīng)的作用，只有加以合理的應(yīng)用，才可能在總體上達(dá)到一個(gè)比較好的效果。

上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 李祖布 孫寧 蘇瑞豐