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為了給設備提供足夠的電壓，鋰電池包通常由多個(gè)電池串聯(lián)而成，但是如果電池之間的容量失配便會(huì )影響整個(gè)電池包的容量。為此，我們需要對失配的電池進(jìn)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(gè)或幾個(gè)電池組并聯(lián)，每個(gè)電池組由3到4個(gè)電池串聯(lián)構成。這種組合方式能同時(shí)滿(mǎn)足筆記本電腦、醫療設備、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(gè)串聯(lián)電池的容量與其它電池不匹配將會(huì )降低整個(gè)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，電池包的總容量都只能達到最弱電池的容量。在大多數情況下，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(xué)屬性變化。棱柱形鋰電池(LiIonprismaticcell)在生產(chǎn)時(shí)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(huì )因為采用新的工藝而出現電池之間的差異。 采用電池均衡處理技術(shù)可解決SOC和C/E失配問(wèn)題，從而改進(jìn)串聯(lián)鋰電池包的性能。通過(guò)在初始調節過(guò)程中對電池進(jìn)行均衡處理可以矯正電池失配問(wèn)題，此后只需在充電過(guò)程中進(jìn)行均衡即可，而C/E失配則必須在充、放電過(guò)程都進(jìn)行均衡。盡管對于某個(gè)電池廠(chǎng)商而言其產(chǎn)品缺陷率可能很低，但為了避免出現電池使用壽命過(guò)短的問(wèn)題，我們仍然有必要提供進(jìn)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(gè)電池串聯(lián)而成，標稱(chēng)電壓為10.8V或14.4V。在大多數此類(lèi)應用中，單個(gè)串聯(lián)電池包無(wú)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(shí))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(gè)電池并聯(lián)三個(gè)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(gè)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(lái)實(shí)現電池均衡。只有當電池包中的電池是串聯(lián)的，同時(shí)串聯(lián)電池等于或大于三級時(shí)才會(huì )考慮電池均衡問(wèn)題。當電池包中所有電池都滿(mǎn)足下面兩個(gè)條件時(shí)，便實(shí)現了電池均衡： 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(shí)便實(shí)現了電池均衡。SOC通常以當前容量與額定容量的百分比來(lái)表示，因此，開(kāi)路電壓(OCV)可作為SOC的一個(gè)衡量標準。如果一個(gè)不均衡電池包中的所有電池可以通過(guò)差分充電達到滿(mǎn)容量(均衡點(diǎn))，它們便可以進(jìn)行正常的充放電而無(wú)需任何額外的調整，通常這種調整是一次性的。用戶(hù)在使用新電池時(shí)，通常需要求對電池進(jìn)行長(cháng)時(shí)間充電，這個(gè)過(guò)程實(shí)際上包括一次完整的放-充電。該過(guò)程使負載最小化，并使電池充電時(shí)間最長(cháng)，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(shí)也認為它們是均衡的。但SOC只是一個(gè)相對值，每個(gè)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(jìn)行充放電時(shí)都必須使用差分電流。正常充放電的時(shí)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(shí)，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容量。在不均衡電池包中，一個(gè)或幾個(gè)電池會(huì )在其它電池尚需充電時(shí)便已達到最大容量。而在放電時(shí)，未完全充電的電池又會(huì )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(gè)電池不合標準，或者在封裝前放置過(guò)久，在充滿(mǎn)電后電壓差可達150mV，從而使電池包的總容量下降13-18%。 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(shí)我們認為電池是均衡的。 單個(gè)電池的充電狀態(tài)定義為： SOC=C/CTOTAL% 單個(gè)電池的容量定義為： C=(i×t)mAh 為了確定某個(gè)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(guò)程中的不同時(shí)間進(jìn)行電流測量，直到達到4.20V的開(kāi)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(chēng)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(gè)過(guò)程稱(chēng)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(shí)間內管理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(mǎn)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(huì )比其它電池更多。例如，假設一個(gè)電池包有三個(gè)串聯(lián)電池，C1＞C2=C3。均衡這個(gè)電池包的唯一方法是給容量較高的電池(C1)施加一個(gè)差分充電電流。 在電池包放電時(shí)也必須如此，否則當容量最小的電池達到關(guān)斷電壓時(shí)，整個(gè)電池包便會(huì )停止放電，而此時(shí)其它電池仍有剩余容量，這樣使總容量降低。長(cháng)此以往，容量最小的電池便會(huì )比其它電池性能衰退更快，經(jīng)過(guò)多個(gè)充/放電周期后將加速容量損耗。 通過(guò)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(shí)要求通過(guò)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(shí)，從電池包中獲得的總電能相對于均衡前仍然會(huì )增加。 通常圓柱形鋰離子電池(cylindricalcell)的質(zhì)量控制通常都較好，電池容量差別不超過(guò)±3%。輸入容量基本上比較精確，差別不超過(guò)幾個(gè)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(gè)百分點(diǎn)以?xún)取?/td> |
