利用电池均衡技术提高锂离子电池组的容量(下)..docVIP

利用電池均衡技術提高鋰離子電池組的容量(下) 上網時間 : 2004年01月17日 ? 打 印 版?? 推 薦 給 同 仁?? 發 送 查 詢 在上一期《利用電池均衡技術提高鋰離子電池組的容量》一文中已經闡述了電池均衡、SOC均衡處理、容量／能量最大化、鋰離子電池自放電、SOC匹配，以及軟短路等概念和技術方法。本文將進一步討論電池均衡原理以及SOC調整，對在放電過程和充電過程中均衡電池提出幾點注意事項以及電池均衡建議，並討論均衡電路的功能要求。 電池均衡原理 圖2為目前所用的電池均衡電路。Cell1和Cell3表示電池，(R1, T1)到(R3, T3)為均衡電路。此處假設電晶體T1、T2、T3以及電阻R1、R2和R3為電池監測器的外部元件，實際上可以將它們整合在電池監測器中，但考慮到面積和功耗問題，T1、T2和T3的體積必須縮小。將這些電晶體整合在晶片中可將均衡電流降低到10mA以下，延長失配電池的均衡時間。此外，為避免電池監控器內部發熱引起A/D轉換器和類比調整電路性能退化而產生錯誤測量結果，每次應當只對一個電池進行均衡。 例如，假設在電池放電過程中對Cell1進行均衡，此時充電器斷開，電晶體T2和T3保持切斷，T1導通。電池的電路連接如圖3所示，圖4是其戴維寧等效電路。從等效電路中可得出電晶體T1構成的Cell1放電路徑並沒有從Cell2和Cell3吸收電流的結論。因此，電晶體T1只對Cell1進行放電。同樣，T2和T3也只分別對Cell2和Cell3放電。 另一方面，Cell1的放電路徑與負載電阻有關。如果負載電阻比R1+T1高，那麼大部份放電電流會通過功率電晶體T1。然而，如果負載電阻較低，部份放電電流便會通過負載，因而降低了均衡效率。 電池均衡等效放電電阻的運算公式為： HSPACE=12 ALT= 為減少放電時間，功率電晶體的導通電阻必須非常小，同時R1電阻也必須盡可能小。通常負載電阻與系統有關，難以控制。建議選用阻值高過R1+T1的負載電阻，這樣大部份放電電流會通過功率電晶體而不是負載。由於負載電流微乎其微，或者根本沒有，因此首次調整時的效率會比較高。 典型的初始化調整時間可長達18小時。如圖5所示，如果在充電過程中進行電池均衡，則充電器提供的電流為Icharge，而Icharge = Icharge+Iload。電池的實際充電電流為Icharge，並在負載電阻斷開時得到最大值。然而，如果在充電階段接取了負載電阻，部份充電電流便會流經負載。在Cell1的均衡過程中，Icharge=I1+I2，I2相對於I1的大小與功率電晶體T1和電阻R1的阻值之和有關。 SOC調整 SOC調整(conditioning)是指在電池組首次使用前對其進行一次性調整，該過程至少需要一個完整的電池組放電，然後再進行一次完整的充電。在此之後，只需透過在充電時執行一次並不嚴格的均衡程式就可消除因軟短路引起的微小變化。 在初始調節過程中電池組的均衡電流最大。通常，18650鋰離子電池的內部電阻約為100Ω。判斷是否需要調整的簡單方法是：如果Cell1在完全充電後比Cell2和Cell3的容量高出15%，而Cell2和Cell3是匹配的，那麼就需要進行調整。 在調整過程中將負載去掉，並且斷開路徑R1+T1對Cell1進行放電。此時電池為4.2V，流經42Ω均衡電阻的電流為100mA。電晶體的導通電阻通常不到1Ω，可忽略不計。電阻上的功耗為0.42W： 4.20V/0.100A=(R1+RT1)=42Ω Pdissipation=IV=0.100A×4.20V=0.42W 如果在調整過程中使用2,000mAh的電池組，並進行3個小時的放電，則從Cell1上消耗掉300mAh，可修正15%的不均衡。 如果使用大容量電池組，則所需的均衡電流和充／放電週期都隨之增加。假設電池組為600mAh，均衡電流仍為100mA，電池組透過3個小時放電，可修正5%的不均衡。HSPACE=12 ALT=圖2：現有的電池均衡電路。 下一步是為電池組充電，仍然將T1導通。此時Cell1的充電電流比其它電池少100mA。如果充電時間也是3小時，其它電池的充電量比Cell1多300mAh，實現10%的充／放電修正。 如果調整時間足夠長，我們可以使用多個充／放電週期，這樣可修正更多的SOC偏差，也可採用更低的均衡電流進行調節(降低功耗)。可以在充電的中間狀態下對電池進行均衡處理，而不是完全放電，但這將減少總均衡時間。 電池均衡注意事項 在放電和充電期間對電池進行均衡時應分別注意以下問題： a. 在放電過程中均衡電池 1. 在放電過程中進行電池均衡將消耗掉沒有利用到的功率。而在調節過程中對電池均衡時，這些功耗不會影響