采用电池均衡技术提高电池包容量(上)

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，在下期的文章中将深入讨论均衡电路的设计和一次性SOC调整方法。

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/C_TOTAL%

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V_MID，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。

锂离子电池自放电及SOC匹配

锂离子材料的化学属性本身并不会造成电池不均衡问题，也不具有可逆自放电机理。但是，锂离子电池还必须经过一个过程才能使性能稳定，并将产生不可逆损耗，多数此类损耗都出现在电池出厂之前。高温放电以及在室温下放置过久也会出现少量此类不可逆损耗，这种损耗的最大比例在10%以内。所有同时入库或同时使用的电池发生这种损耗的机率一样，因此这种情况不会引起电池不均衡问题。在出现不可逆损耗时还伴随着少量可逆损耗，二者之间存在着某种比例关系。大部分在工厂中出现的可逆损耗在进行电池容量分类前已经被再次充电，因此这类损耗非常小，而且每个电池都一样，不会引起电池不均衡问题。

引起电池不均衡的另一个原因是电池在装配前被闲置过久，而如果将若干批生产时间不同的电池放到同一个电池包中将会加重这种不均衡。在这种情况下，通过容量分类但尚未装配的具有不同可逆损耗的电池将随着时间的推移累计更大的差异。即使在装配成电池包后，如果包中的电池变化很大(尤其是当电池包放置过久)，随着时间推移,电池包内的电池不均衡也会加重。

软短路

软短路(soft short)是引起某些电池不均衡的主要原因。在电池生产时的细微瑕疵可能使电池出现40KΩ以上的短路电阻，由这种高阻抗引起的自放电速率可达0.1mA或每月3%。一些出厂时合格的电池也可能产生软短路问题，但多数电池不会出现这种情况，因而可将容量保持若干年。严格来说，软短路是一种机电变化，如果电池包仅由单个电池构成，那么这个电池可以反复充电而不会出现容量损耗。然而，在串联电池包中出现软短路的电池每月会损耗3%的容量，而其它电池则毫无损耗。

电池包中电池的SOC不一样时会降低总容量。在未出现相应的容量降低之前，电池包使用时需要进行一次调整，入库保存后再经常不定期调整，这样便可恢复最初的容量损耗。同时，在每次充电过程中只需要进行较为简单的均衡，以避免重新产生失配。这些连续调整通常用户是根本不能觉察到。初次使用后，以后的放电过程便不再需要均衡处理。

例如，假设一个电池包中有两个串联电池C1和C2，C1每个月放电3%，三个月后起SOC值从40%下降到31%。C2没有软短路，因此SOC保持为40%。充电时，C2的SOC恢复到100%，而C1只能恢复到91%。放电时，C1的SOC到达0%时C2还剩余9%。因此电池包产生了9%的损耗。

如果对C1施加一个差分电流进行均衡，则两个电池以及整个电池包都将恢复满容量。C1的损耗没有使电池包的容量降低，如图1a和1b所示。

电池容量退化

容量退化是由于生产或工艺差异而导致的电池容量降低，通常在生产过程中出现这种情况的可能性极小。此外，同批生产的电池性能通常一样，因此，大多数电池包中的电池不会出现不均衡问题。然而，电池可能会偶然出现很小的缺陷，如果在这种情况下电池包工作的温度变化较大，那么某些电池就会比其它电池性能降低得更快。例如，用于电脑的电池包的面积很大，因此电池包的某部分会靠近电源或CPU，这部分电池比其它电池受热更多。此类问题可通过电池均衡来弥补，这种均衡处理必须在充电和放电过程中实现，该过程称为容量/能量最大化。然而，这在实际应用中很难实现，同时不够直观，容量/能量最大化问题还有待进一步深入研究。

保持电池均衡

监测电池的电压和温度可追踪电池的电压变化，当电池电压变化超过10mV时，电路便启动均衡处理来对电池包中不同的电池电压进行匹配。

这种均衡是通过“分流”需要均衡的电池(电压最高的电池)电流来实现的。通常，将一个功率晶体管和限流电阻串联后，再与电池包中的每个电池并联来控制均衡过程。在充电过程中导通功率晶体管，将该电池的电流部分分流，从而使它的充电速度比其它电池慢。在放电过程中导通功率晶体管，增加该电池的有效负载，使它的放电速度比其它电池快，从而在充/放电模式下对电池进行均衡。

外部晶体管的功耗

均衡电路设计时必须注意功率晶体管和限流电阻的选择，以使电流保持在合理的范围内。如果均衡电流过高，功耗会很大，引起电池包升温或增加元件负担；相反，如果均衡电流过低，就需要较长的时间或多个周期才能起到均衡作用，从而降低电池均衡效率，甚至失去意义。

在决定电流大小时要注意不均衡程度、可用时间以及电池容量三项：

1.将合理的电池均衡量定为10-20%的电池容量。对于软短路情况，这相当于以每月3%的放电速率持续3-6个月；对于周期时间不均衡，这相当于100个周期的16%容量损耗。

2. 电池均衡所需的合理时间可短至仅1个充/放电周期。SOC不均衡需要较长的时间，最多可达18个小时(这18个小时并非完全用于充电，而是一个至少包括一次充、放电的调整过程。也可能是多个充/放电周期)。容量不均衡通常需要充电1小时，并且至少放电2.5小时。

3. 18650具有最高的容量，为2,000mAh，通常最多采用3个电池并联。因此，修正20%容量不均衡所需的最大均衡电流为I_BALANCE=(20%×2000mAh×3)/1.0hr=1200mA

为了实现这一程度的均衡，电池包的调整必须经过较长时间。假设充电时间为1小时，放电时间为3小时，则经过两个充/放电周期便可获得8小时的均衡处理，这要求均衡电流为150mA，这个电流相当高。例如，如果电池为4V，均衡电源为150mA时的功耗可达0.6W。最好的折衷方法是将电池均衡电流控制在50mA-150mA之间，同时将初始均衡持续多个周期。

作者：Carlos Martinez

Xicor公司

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