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

一些消費類(lèi)應用要求單鋰離子電池(如手機)，或者需要三節串聯(lián)和兩節并聯(lián)電池(如筆記本電腦)。這就引發(fā)了對更高功率、更高容量以及更加穩健電池組的需求。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。這些電池組數量不一，從筆記本電腦使用的六節電池到電動(dòng)汽車(chē)中使用的數百節電池，這給電池設計人員帶來(lái)許多新的設計困難。

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)的設計。我們必須考慮合適的溫度、電壓和電流測量。隨著(zhù)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(zhù)電池組中所需電池數量的增加，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，以及如何在電池設計中控制這些差異。

問(wèn)題：電池狀態(tài)不匹配

電池的作用是為其主機存儲和提供能量。我們想盡可能多地向(從)電池組存儲和獲取能量。妨礙多節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供電的。

在鋰離子電池組中，存在一些允許每節串聯(lián)電池達到的預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，請參見(jiàn)圖1A。只要每一節電池均保持在過(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。如果一節電池達到上述任何一個(gè)閾值，則整個(gè)電池組便會(huì )關(guān)閉(欠壓)，從而讓主機本應可用的電池組處于無(wú)法充電狀態(tài)(請參見(jiàn)圖1B)。另外，它不允許充電器向電池組充入應有的大量能量(請參見(jiàn)圖1C)(過(guò)壓)。

圖1：電池不平衡對于電池容量使用的影響。

電池不平衡的原因有很多：

* 非均勻熱應力

* 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計來(lái)得到最小化。即便如此，所有前期設計工作中，電池不平衡的主要原因是非均勻熱應力。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(cháng)(請參見(jiàn)圖2*)。這是一幅筆記本電腦FLIR圖，其表明溫度差異的程度，即便在消費類(lèi)電子應用中也是如此。溫度每升高10℃，一節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，內部阻抗是溫度的函數。較低溫度的電池表現出高阻抗，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)和高溫下持續時(shí)間的增加以及充電周期時(shí)間的延長(cháng)而增大。