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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電池串聯而成，但是如果電池之間的容量失配便會影響整個電池包的容量。為此，我們需要對失配的電池進行均衡。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或幾個電池組并聯，每個電池組由3到4個電池串聯構成。這種組合方式能同時滿足筆記本電腦、醫療設備、測試儀器及工業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揮其最大功效，因為如果某個串聯電池的容量與其它電池不匹配將會降低整個電池包的容量。 電池容量的不匹配包括充電狀態(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屬性變化。棱柱形鋰電池(LiIonprismaticcell)在生產時需要更強的機械壓力，電池之間更容易產生差異。此外，鋰離子聚合物電池也會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可解決SOC和C/E失配問題，從而改進串聯鋰電池包的性能。通過在初始調節過程中對電池進行均衡處理可以矯正電池失配問題，此后只需在充電過程中進行均衡即可，而C/E失配則必須在充、放電過程都進行均衡。盡管對于某個電池廠商而言其產品缺陷率可能很低，但為了避免出現電池使用壽命過短的問題，我們仍然有必要提供進一步的質量保證。 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電池包供電，這種情況下電池包的總電壓為各串聯電池電壓之和。便攜式電腦的電池包通常由三、四個電池串聯而成，標稱電壓為10.8V或14.4V。在大多數此類應用中，單個串聯電池包無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)能量，而電腦需要50-60Whr(5,000-6,000mAh)的能量，因此必須給串聯的每個電池并聯三個電池。 電池均衡是指對串聯電池包中不同的電池(或電池組)采用差分電流。串聯電池包中每個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實現電池均衡。只有當電池包中的電池是串聯的，同時串聯電池等于或大于三級時才會考慮電池均衡問題。當電池包中所有電池都滿足下面兩個條件時，便實現了電池均衡： 1.如果所有電池的容量相同，那么當它們的相對充電狀態一樣時便實現了電池均衡。SOC通常以當前容量與額定容量的百分比來表示，因此，開路電壓(OCV)可作為SOC的一個衡量標準。如果一個不均衡電池包中的所有電池可以通過差分充電達到滿容量(均衡點)，它們便可以進行正常的充放電而無需任何額外的調整，通常這種調整是一次性的。用戶在使用新電池時，通常需要求對電池進行長時間充電，這個過程實際上包括一次完整的放-充電。該過程使負載最小化，并使電池充電時間最長，降低對電池均衡電路的要求。 2.如果電池的容量不同，當SOC相同時也認為它們是均衡的。但SOC只是一個相對值，每個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，每次對串聯電池進行充放電時都必須使用差分電流。正常充放電的時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，它的可用容量將減少，串聯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，一個或幾個電池會在其它電池尚需充電時便已達到最大容量。而在放電時，未完全充電的電池又會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%。如果串聯鋰電池包的某個電池不合標準，或者在封裝前放置過久，在充滿電后電壓差可達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值相同時我們認為電池是均衡的。 單個電池的充電狀態定義為： SOC=C/CTOTAL% 單個電池的容量定義為： C=(i×t)mAh 為了確定某個電池的容量，我們將該電池完全放電然后再充電，并在充電過程中的不同時間進行電流測量，直到達到4.20V的開路電壓。最佳性能電池在該狀態下的SOC為100%，SOC為50%的OCV電壓通常稱為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。我們將這個過程稱之為容量/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電池設置為相同的SOC，即使它們的容量不同。在所有時間內管理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/放電就會比其它電池更多。例如，假設一個電池包有三個串聯電池，C1＞C2=C3。均衡這個電池包的唯一方法是給容量較高的電池(C1)施加一個差分充電電流。 在電池包放電時也必須如此，否則當容量最小的電池達到關斷電壓時，整個電池包便會停止放電，而此時其它電池仍有剩余容量，這樣使總容量降低。長此以往，容量最小的電池便會比其它電池性能衰退更快，經過多個充/放電周期后將加速容量損耗。 通過匹配串聯電池的電壓，將從高容量電池汲取更多電流。放電時要求通過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，從電池包中獲得的總電能相對于均衡前仍然會增加。 通常圓柱形鋰離子電池(cylindricalcell)的質量控制通常都較好，電池容量差別不超過±3%。輸入容量基本上比較精確，差別不超過幾個mAs(毫安·秒)。因此，電池容量絕對值也基本準確，SOC的差異在幾個百分點以內。 |
