實(shí)現鋰離子電池的電池平衡

鋰離子電池最早出現于1991年并成為許多應用領(lǐng)域的首選技術(shù)，這些領(lǐng)域包括衛星、地面車(chē)輛以及模型飛機，另外還有筆記本電腦和手機。這主要歸功于鋰離子電池突出的能量密度，也就是所儲存能量和重量的比值。

電壓降

鋰離子電池被設計用來(lái)提供大約 3.0～+4.3V的電壓。始終保持鋰離子電池的電壓在其設計界限之內非常重要，否則電池會(huì )遭受不可修復的損壞。如果電池的電壓降到3.0V以下，其將進(jìn)入深放電狀態(tài)，一旦進(jìn)入這種狀態(tài)，就需要數小時(shí)甚至數天才能恢復。

實(shí)際上，深放電可能會(huì )造成電池短路，而電池一旦短路就無(wú)法恢復。過(guò)充電使電壓高于4.3V可能會(huì )更糟糕，因為這樣做會(huì )破壞電池，造成過(guò)熱或其他災難性的后果。在只使用1塊鋰離子電池的簡(jiǎn)單應用中，電子控制電路必須保護電池，當電池電壓降低到3.2V以下就斷開(kāi)負載，并在充電時(shí)保證電壓低于4.2V。

鋰離子電池結構

鋰離子電池是由2個(gè)或更多個(gè)電池串聯(lián)構成的。在這種結構中，電池電壓等于單個(gè)電池電壓之和。例如，96V的電池是通過(guò)將24塊鋰離子電池串聯(lián)得到的。加上負載之后，負載的電流是由串聯(lián)的24塊電池共同提供。如果對電池進(jìn)行充電，充電器需要向串聯(lián)的電池組提供充電電流。在這兩種情況下，所有電池的放電和充電電流是相同的。

在整個(gè)生命周期內，電池可能會(huì )進(jìn)行數百次甚至數千次的充放電。此時(shí)，各個(gè)電池的老化可能會(huì )有所不同。有些電池會(huì )變得與其他電池有些失配(或者更嚴重一些)。如果這種現象沒(méi)有得到改善，一個(gè)或多個(gè)電池可能會(huì )欠充電或過(guò)充電，這兩種現象都會(huì )導致電池失效。

平衡

改善這種狀況的方法被稱(chēng)為平衡。平衡是強制所有電池具有相同電壓的過(guò)程。這是通過(guò)平衡電路實(shí)現的。

Aeroflex平衡電路使用共享總線(xiàn)，這個(gè)總線(xiàn)的電壓等于所有電池的平均電壓。平衡電路由那些超過(guò)共享總線(xiàn)電壓的電池充電并將電能注入到電壓較低的電池，這個(gè)工作是通過(guò)高效率的雙邊DC/AC轉換器來(lái)完成的。

平衡電流的大小與電壓差成正比，也就是說(shuō)，隨著(zhù)電池越來(lái)越接近理想平衡狀態(tài)，平衡電流將趨近于0。圖1顯示了一個(gè)用于5個(gè)電池的平衡電路，其中，1Ω電阻確定了傳輸比，也就是不平衡電壓與平衡電流的比值。

圖1 使用串行共享總線(xiàn)實(shí)現的5電池的平衡電路

對于容量較大(通常20Ah或更高)的電池而言，為了將達到平衡的時(shí)間減到最短，需要高達1A的平衡電流。對這些應用而言，雙邊DC/AC轉換器電路通過(guò)平面變壓器工作在100kHz的頻率附近。

電池電子單元

每個(gè)電路都是帶有諧振復位信號的前向轉換器，而開(kāi)關(guān)頻率是由鎖相環(huán)控制的，以便提供精確的低損耗開(kāi)關(guān)和高效率。圖2顯示了使用這種電路拓撲結構實(shí)現的面向24 cell鋰離子電池衛星應用的電池電子單元(BEU)。這個(gè)BEU也提供了單個(gè)電池的電壓監控功能，單個(gè)電池電壓的精度為10mV，這個(gè)數據是使用12位A/D和串行數據遙測技術(shù)測得的。

圖2 面向帶有2 cell電池應用的雙冗余BEU

對于較小的電池而言，使用平衡電流較小但是傳輸率比較高的電路比較合適。圖3顯示了一個(gè)小電流電池平衡器，Aeroflex的8645-13模塊。這是個(gè)6英寸×2.3英寸的電路卡，用于平衡13個(gè)電池。這個(gè)電池平衡器嵌入在電池封裝內部，不提供監視功能。

圖3 用于13 cell電池的小電流平衡器

平衡的優(yōu)勢

通過(guò)使用電池平衡，系統工程師能夠根據應用選擇容量更大的電池，這是因為平衡能夠使電池實(shí)現更高的荷電狀態(tài)(SOC)。如果不使用電池平衡功能，保守的設計無(wú)法讓SOC接近100%。

這些電池是串聯(lián)在一起的，所有電池的充電電流都相等。充電器監視總電池電壓并繼續充電，直到達到預先設定的電壓，通常是每個(gè)電池4.2V。

例如，10 cell電池可能要充電到42V才能達到100%的SOC。如果電池之間沒(méi)有平衡，就無(wú)法保證每個(gè)電池電壓都精確地等于4.2V。例如，可能其中某個(gè)電池被充電到4.4V，有可能變?yōu)檫^(guò)充電狀態(tài)或被損壞。因此，沒(méi)有采取平衡措施的電池的SOC必須遠低于100%，以便確保不會(huì )存在一個(gè)或多個(gè)電池過(guò)充電。

另一方面，在采取了正確平衡措施的電池中，所有電池的電壓都非常接近于電池的平均電壓，就有可能通過(guò)測量電池總電壓的充電電路將電池的SOC充電至接近100%。

因此，在沒(méi)有電池平衡的應用中，電池的SOC通常在20%～80%的范圍中，利用率只有60%。如果增加了平衡措施，SOC范圍可能是5%～95%，利用率增加到了90%。因此，電池平衡系統使得實(shí)現相同輸出容量的電池體積減小很多。這樣可以大大減少總體重量，即使將平衡器的重量計算在內也很劃算。