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有源電池平衡技術(shù)幫助增加大型鋰離子電池組供電能力

   2013-09-26 電子工程專(zhuān)輯

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核心提示:一些消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用要求單鋰離子電池(如手機(jī)),或者需要三節(jié)串聯(lián)和兩節(jié)并聯(lián)電池(如筆記本電腦)。這就引發(fā)了對(duì)更高功率、更高容量以及

一些消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用要求單鋰離子電池(如手機(jī)),或者需要三節(jié)串聯(lián)和兩節(jié)并聯(lián)電池(如筆記本電腦)。這就引發(fā)了對(duì)更高功率、更高容量以及更加穩(wěn)健電池組的需求。串聯(lián)安裝電池可以提高電壓,而并聯(lián)安裝的電池則可以增加容量。這些電池組數(shù)量不一,從筆記本電腦使用的六節(jié)電池到電動(dòng)汽車(chē)中使用的數(shù)百節(jié)電池,這給電池設(shè)計(jì)人員帶來(lái)許多新的設(shè)計(jì)困難。

這些大容量電池需要先進(jìn)的管理來(lái)確保獲得高品質(zhì)的設(shè)計(jì)。我們必須考慮合適的溫度、電壓和電流測(cè)量。隨著鋰離子電池組越來(lái)越大型,要求更多地關(guān)注散熱管理、電池組可靠性、電池使用壽命和電池平衡。實(shí)際上,隨著電池組中所需電池?cái)?shù)量的增加,電池單元之間的溫度、容量和串聯(lián)阻抗差異成為一個(gè)重要問(wèn)題。本文將主要討論這些差異帶來(lái)的影響,以及如何在電池設(shè)計(jì)中控制這些差異。

問(wèn)題:電池狀態(tài)不匹配

電池的作用是為其主機(jī)存儲(chǔ)和提供能量。我們想盡可能多地向(從)電池組存儲(chǔ)和獲取能量。妨礙多節(jié)電池組完成這一工作的主要方面是電池阻抗。讓我們來(lái)看一看其是如何影響向電池主機(jī)供電的。

在鋰離子電池組中,存在一些允許每節(jié)串聯(lián)電池達(dá)到的預(yù)定義電壓最小值和最大值。這是一種由電池組中IC控制的安全特性,請(qǐng)參見(jiàn)圖1A。只要每一節(jié)電池均保持在過(guò)壓和欠壓斷開(kāi)范圍之間,則該電池組便能夠放電和充電。如果一節(jié)電池達(dá)到上述任何一個(gè)閾值,則整個(gè)電池組便會(huì)關(guān)閉(欠壓),從而讓主機(jī)本應(yīng)可用的電池組處于無(wú)法充電狀態(tài)(請(qǐng)參見(jiàn)圖1B)。另外,它不允許充電器向電池組充入應(yīng)有的大量能量(請(qǐng)參見(jiàn)圖1C)(過(guò)壓)。

電池不平衡的原因有很多:

* 非均勻熱應(yīng)力

* 阻抗變量

* 低電池容量匹配

* 化學(xué)差別

這些原因中的有一些可以通過(guò)電池選擇和較好的電池組設(shè)計(jì)來(lái)得到最小化。即便如此,所有前期設(shè)計(jì)工作中,電池不平衡的主要原因是非均勻熱應(yīng)力。電池與電池之間的溫度差異可引起阻抗變量和化學(xué)反應(yīng)的變化。這就形成了溫度差異,而電池暴露在這種差異下的時(shí)間較長(zhǎng)。這是一幅筆記本電腦FLIR圖,其表明溫度差異的程度,即便在消費(fèi)類(lèi)電子應(yīng)用中也是如此。溫度每升高10℃,一節(jié)鋰離子電池的自放電率便翻一番。鋰離子電池的一個(gè)特點(diǎn)是,內(nèi)部阻抗是溫度的函數(shù)。較低溫度的電池表現(xiàn)出高阻抗,因此在充電或放電期間IR壓降更大。這種電阻還隨暴露在高充電狀態(tài)和高溫下持續(xù)時(shí)間的增加以及充電周期時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

解決方案:電池平衡技術(shù)

由于對(duì)能量供給的影響,以及串聯(lián)電池應(yīng)用中存在鋰離子電池過(guò)充電的危險(xiǎn)性,必須使用電池平衡技術(shù)來(lái)對(duì)失衡進(jìn)行校正。共有兩類(lèi)電池平衡技術(shù):無(wú)源電池平衡技術(shù)和有源電池平衡技術(shù)。

無(wú)源電池平衡技術(shù)

被稱(chēng)為“電阻泄漏”平衡的無(wú)源電池平衡方法使用一條簡(jiǎn)單的電池放電路徑,在所有電池電壓相等以前一直為高壓電池放電。除其他電池管理功能以外,許多器件都具有電池平衡功能。

諸如bq77PL900等鋰離子電池組保護(hù)器主要用于許多無(wú)繩電池供電設(shè)備、助力自行車(chē)和輕便摩托車(chē)、不間斷電源以及醫(yī)療設(shè)備。其電路主要起到一個(gè)獨(dú)立電池保護(hù)系統(tǒng)的作用,使用5~10節(jié)串聯(lián)電池。除通過(guò)I2C端口控制的許多電池管理功能以外,還可將電池電壓同可編程閾值對(duì)比以便決定是否需要進(jìn)行電池平衡。如果任何特定電池達(dá)到該閾值,則充電停止,并激活一條內(nèi)部旁路。當(dāng)高壓電池降至恢復(fù)極限值時(shí),電池平衡停止,而繼續(xù)充電。

電池平衡算法只使用電壓發(fā)散作為平衡標(biāo)準(zhǔn),具有過(guò)平衡(或欠平衡)的缺點(diǎn),這是由于存在阻抗失衡影響。問(wèn)題是,電池阻抗還會(huì)在充電期間引起電壓差異(VDiff_Start和VDiff_End)。簡(jiǎn)單的電壓電池平衡并未區(qū)分是電量失衡還是阻抗失衡。因此,這種平衡不能保證完全充電后所有電池均獲得100%的電量。



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