电池均衡原理
右图为目前所用的电池均衡电路.Cell1和Cell3表示电池,(R1, T1)到(R3, T3)为均衡电路.此处假设晶体管T1、T2、T3以及电阻R1、R2和R3为电池监测器的外部元件,实际上可以将它们集成在电池监测器中,但考虑到面积和功耗问题,T1、T2和T3的体积必须缩小.将这些晶体管集成到芯片中可将均衡电流降低到10mA以下,延长失配电池的均衡时间.此外,为避免电池监控器内部发热引起A/D转换器和模拟调整电路性能退化而产生错误测量结果,每次应当只对一个电池进行均衡.
例如,假设在电池放电过程中对Cell1进行均衡,此时充电器断开,晶体管T2和T3保持关断,T1导通.电池的电路连接如右图所示,而图下方所示的是其戴维宁等效电路.从等效电路中可得出晶体管T1构成的Cell1放电路径并没有从Cell2和Cell3吸收电流的结论.因此,晶体管T1只对Cell1进行放电.同样,T2和T3也只分别对Cell2和Cell3放电.
另一方面,Cell1的放电路径与负载电阻有关.如果负载电阻比R1+T1高,那么大部分放电电流会经过功率晶体管T1.然而,如果负载电阻较低,部分放电电流便会经过负载,从而降低了均衡效率.
电池均衡等效放电电阻的计算公式为:
为减少放电时间,功率晶体管的导通电阻必须非常小,同时R1电阻也必须尽可能小.通常负载电阻与系统有关,难以控制.建议选用阻值高过R1+T1的负载电阻,这样大部分放电电流会经过功率晶体管而不是负载.由于负载电流微乎其微,或者根本没有,因此首次调整时的效率会比较高.
典型的初始化调整时间可长达18小时.如右图所示,如果在充电过程中进行电池均衡,则充电器提供的电流为Icharge,而Icharge = I'charge+Iload.电池的实际充电电流为I'charge,并在负载电阻断开时得到最大值.然而,如果在充电阶段接入了负载电阻,部分充电电流便会流经负载.在Cell1的均衡过程中,I'charge=I1+I2,I2相对于I1的大小与功率晶体管T1和电阻R1的阻值之和有关.
SOC调整
SOC调整(conditioning)是指在电池包首次使用前对其进行一次性调整,该过程至少需要一个完整的电池包放电,然后再进行一次完整的充电.在此之后,只需通过在充电时执行一次并不严格的均衡程序就可消除因软短路引起的微小变化.
在初始调节过程中电池包的均衡电流最大.通常,18650锂离子电池的内部电阻约为100Ω.判断是否需要调整的简单方法是:如果Cell1在完全充电后比Cell2和Cell3的容量高出15%,而Cell2和Cell3是匹配的,那么就需要进行调整.
在调整过程中将负载去掉,并且断开路径R1+T1对Cell1进行放电.此时电池为4.2V,流经42Ω均衡电阻的电流为100mA.晶体管的导通电阻通常不到1Ω,可忽略不计.电阻上的功耗为0.42W:
4.20V/0.100A=(R1+RT1)=42Ω Pdissipation=IV=0.100A×4.20V=0.42W
如果在调整过程中使用2,000mAh的电池包,并进行3个小时的放电,则从Cell1上消耗掉300mAh,可修正15%的不均衡.
如果使用大容量电池包,则所需的均衡电流和充/放电周期都随之增加.假设电池包为600mAh,均衡电流仍为100mA,电池包经过3个小时放电,可修正5%的不均衡.
下一步是为电池包充电,仍然将T1导通.此时Cell1的充电电流比其它电池少100mA.如果充电时间也是3小时,其它电池的充电量比Cell1多300mAh,实现10%的充/放电修正.
如果调整时间足够长,我们可以使用多个充/放电周期,这样可修正更多的SOC偏差,也可采用更低的均衡电流进行调节(降低功耗).可以在充电的中间状态下对电池进行均衡处理,而不是完全放电,但这将减少总均衡时间.
电池均衡注意事项
在放电和充电期间对电池进行均衡时应分别注意以下问题:
a. 在放电过程中均衡电池
1. 在放电过程中进行电池均衡将消耗掉没有利用到的功率.而在调节过程中对电池均衡时,这些功耗不会影响系统的工作时间,但如果在放电的同时系统处于工作状态,此时进行电池均衡将产生很多问题.
2. 在放电期间进行电池均衡所花时间较长.由于放电速度与负载电阻阻值有关,在系统工作时进行均衡效率低.
3. 如果在放电期间进行均衡同时希望均衡时间较短,则需要外接一个导通电阻较小的功率晶体管,此类晶体管十分普遍,如MOSFET或FET.
4. 如果希望在放电期间快速均衡,就必须将低阻值电阻与功率晶体管串联以降低功率晶体管的功耗.如果没有这个限流电阻,晶体管会很快地消耗掉电池电能.在FET导通电阻为100Ω(此阻值较常见)、电池电压为4V时,晶体管将产生160W功耗,晶体管便会像保险丝一样迅速毁坏.
5. 使用阻值低的电阻时需要一个大功率器件,将增加PCB的占用面积和成本.在上面的例子中,电阻的功耗为0.42W,为了尽量减少发热并降低电阻所承受的应力,应该使用功率为2W的电阻.
在理想情况下,电池均衡电流较小,可以采用低功率值电阻.此功耗也可通过在电池包内散热最多的地方配置多个电阻来解决.
b. 在充电期间均衡电池
1. 在充电期间测量电池电压并不准确,而且会引起过早的电池均衡.因此,必须周期性地停止充电以便测量电池电压.
2. 充电器的电压转换和感应谐振会造成输出电压毛刺.这种情况会引起测量误差和电池均衡电流变化,从而影响电池均衡.
3. 在充电期间进行均衡还需要一个导通电阻低的外部功率晶体管以实现电池均衡,这将产生在放电期间均衡相同的局限性.不过,在充电期间进行均衡通常是为了纠正软短路,因此所需均衡电流较小.
4. 由于未均衡电池的阻值较低,因此无法将所有的充电电流进行分流,部分电流会经过未均衡电池,但比电池包中其它均衡电池的电流要低.因此,要求开始对电池均衡时的电压较低,以便有足够的时间在标准锂离子电池的安全范围内进行均衡.
电池均衡的建议
建议在电池包初次充/放电时进行调整以均衡电池,此后只需要在充电期间进行均衡.在充电期间进行均衡时,电池包中的控制器控制充电器的电流 -- 通常是通过电池包中的充电控制FET来管理.充电器最好能产生一个相对较短的电流脉冲,并在脉冲间歇期间测量电池包和电池电压.如果电池包中电池之间产生了失配,均衡功率晶体管便导通,未均衡电池的充电电流减小.在下一个间歇中再次测量电池,如果已实现了均衡则关断晶体管.
电流脉冲的持续时间不一定相同.如果电池经过完全放电,电流充电过程可能会持续更久,同时对电流的测量频率将降低.随着电池电压增加,电池接近完全充电容量,电流脉冲宽度减小,电池电压测量频率增加.如果充电期间某个电池在别的电池尚未均衡时便到达过压状态,则必须通过延长间歇时间并在此期间对电池进行一段时间放电,从而使该电池保持在安全区.在这种情况下需要经过若干充/放电周期,直到所有电池达到相同状态.
改进充电器的控制十分重要,以便能按需要增加或降低充电器的电流.如果充电期间的温度超过了预设值,电池包所需的充电电流减小,从而降低温度并以较慢的速率继续充电.
通过测量每个电池的电压可以对电池均衡操作进行监测.在监测阶段很重要一点是要求负载必须保持恒定,以保证在监测每个电池电压时电池包消耗的电流不会改变.
在调整处理过程的放电期间均衡电池较为简单:电池包中的控制器通过控制电池包放电FET断开负载,随后控制器打开最高电压电池两端的晶体管,当该电压与其它电池电压匹配时,晶体管关断.由于负载在不断变化,因此要想在系统工作时的放电期间进行电池均衡比较困难,改变负载会影响均衡速度以及电池电压和电池包电流测量准确度.
如上所述,在电池均衡算法中需要考虑很多因素.在PoweReady公司开发的一个算法中,他们采用了一个微控制器和Xicor X3100来监测单个电池的电压,并控制电池包充/放电FET和电池均衡FET.由于微控制器基于闪存,即使在电池封装成包后仍可改变电池均衡算法.这些改变可以结合新的均衡参数或补偿电池化学性能的变化.
均衡器件的性能要求
为了实现电池均衡,电池包需要增加一些器件.这些器件必须能实现以下功能:
1. 独立、精确地监测每个电池电压.要实现该功能需要工作电压最高可达20V、输入范围为2-4.5V、精确度超过10mA的差分放大器.
2. 确定电压最高的电池以及该电池与其它电池的电压差,这要求采用一些硬件比较器或计算机控制的比较方案(A/D转换器+软件算法).
3. 决定电池电压差并启动电池均衡,可以采用微控制器或硬件状态机.
4. 控制电池均衡FET.这些FET通常为分立元件,控制信号必须能提供3V-17V的门电压.
以上这些器件应该尽可能地实现集成,以避免电池包电路的成本增加太多,如X3100安全/监控IC.X3100集成了一个电平转换器,以及对每个电池电压进行监测的监测器,该监测器为差分运算放大器;另外,一个模拟多路复用器允许微控制(带有内建A/D转换器)读取每个电池电压;通过IC中的软件,电池包可确定需要均衡的差值并采取正确的校正动作;X3100还提供了FET驱动器,因此无需增加电平转换电路来获得微控制器的5V电源电压.
本文小结
电池均衡可以在串联电池出现充电损耗或容量损耗时增加锂电池系统的可用容量,可提高电池包的使用寿命.
目前,集成了电池均衡控制功能的器件已经上市,我们可采用这些解决方案在满足功能设计同时节省成本.X3100等器件集成了电压监测电路和FET控制元件,使外部微控制器可评估是否需要进行电池均衡.电池包中的微控制器采用电平转换器以专门算法来控制FET.通过在微控制器的闪存中写入的算法程序,在电池封装成电池包后仍可改变电池均衡算法.这一方法使电池包设计者可使用最新的电池技术来灵活设计电池包,以满足系统的精确要求.
