锂离子电池 均衡和保护的关系研究

引言

近年来，越来越多的产品采用锂离子电池做为主要电源，主要是由于锂离子电池具有体积小，能量密度高，无记忆效应，循环寿命高，自放电率低等优点；但同时锂离子电池对充放电要求很高，当过充、过放、过电流及短路等情况发生时，锂离子电池压力与热量大量增加，容易产生火花、燃烧甚至爆炸，因此，锂离子电池无一例外地都加有过充放电保护电路。另外，当对一组锂离子电池充放电时，考虑到各个单体电池的不一致性，可采取均衡措施来确保安全性和稳定性。本文主要分析了均衡处理的重要性，实现方法，及与保护处理的关系。

均衡电路

均衡的意义就是利用电子技术，使锂离子电池单体电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常的使用时不发生损坏。若不进行均衡控制，随着充放电循环的增加，各单体电池电压逐渐分化，使用寿命将大大缩减。

一般情况下，充电时锂离子电池单体电压的偏差在50mV范围是完全可以接受的。造成单体电池电压偏差的主要原因一方面是单体电池存在差异，另一方面测量的电子电路消耗所造成的。

均衡的方法有很多种，譬如开关电容均衡法，降压型变换器法，平均电压均衡法，在这里就不一一赘述。本文采用的是平均电压均衡法，原理框图见图1，图中只给出了一只单体电池的均衡电路，其它各单体电池也配备相同的均衡电路，其中放大器由单体电池供电。

这种均衡控制电路的思路是：单体电池电压与平均单体电池电压相比较，控制功率开关将电池电压高于平均电压的单体电池分流。因此，所有单体电池电压在均衡电路的作用下趋向平均电池电压。

此电路初看起来是开环控制，实际上由于电池内阻的作用，均衡电路工作在具有负反馈特性的闭环状态。为了防止均衡电路在电池组放电时工作，可以在功率开关下端串联稳压二极管，这样在电池放电时，电池电压较低而失去分流回路。

保护和均衡的关系

设每节电池的当前电压为Vbati(i=1-7)，最大电压为Vmaxi(i=l-7)，最小电压为Vmini(i=1-7)，总当前电压为Vall，总最大电压为Vmax，总最小电压为Vmin。则有：

总体电压与变化最大的单体电压密切相关。所以，我们的重点就放在处理电压变化率大的电池上，选择七节相对匹配度高的电池，使所有电池的变化趋于一致，尽可能避免因为某节电池的电压变化率太大造成的整体失调问题。

均衡的作用是满足(4)式，并且用它来控制分流，以达到最终所有电池都充满的这一理想状态。保护的作用是满足(2)(3)式，对单节电池的最大电压和最小电压进行控制，以达到总体电池电压的安全范围。为了凸现保护和均衡各自的作用，本文采用了独立自由元分析法。

作者：上海微系统与信息技术研究所 李祖布 孙宁 苏瑞丰   来源：《电子产品世界》