淺談有源電池平衡技術增加大型鋰離子電池組供電能力

一些消費類應用要求單鋰離子電池（如手機），或者需要三節串聯和兩節并聯電池（如筆記本電腦）。這就引發了對更高功率、更高容量以及更加穩健電池組的需求。串聯安裝電池可以提高電壓，而并聯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汽車中使用的數百節電池，這給電池設計人員帶來許多新的設計困難。
　　這些大容量電池需要先進的管理來確保獲得高品質的設計。我們必須考慮合適的溫度、電壓和電流測量。隨著鋰離子電池組越來越大型，要求更多地關注散熱管理、電池組可靠性、電池使用壽命和電池平衡。實際上，隨著電池組中所需電池數量的增加，電池單元之間的溫度、容量和串聯阻抗差異成為一個重要問題。本文將主要討論這些差異帶來的影響，以及如何在電池設計中控制這些差異。
　　問題：電池狀態不匹配
　　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，請參見圖1A。只要每一節電池均保持在過壓和欠壓斷開范圍之間，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閾值，則整個電池組便會關閉（欠壓），從而讓主機本應可用的電池組處于無法充電狀態（請參見圖1B）。另外，它不允許充電器向電池組充入應有的大量能量（請參見圖1C）（過壓）。
　　
　　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
　　* 化學差別
　　
　　這些原因中的有一些可以通過電池選擇和較好的電池組設計來得到最小化。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間較長（請參見圖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。鋰離子電池的一個特點是，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和高溫下持續時間的增加以及充電周期時間的延長而增大。
　　解決方案：電池平衡技術
　　由于對能量供給的影響，以及串聯電池應用中存在鋰離子電池過充電的危險性，必須使用電池平衡技術來對失衡進行校正。共有兩類電池平衡技術：無源電池平衡技術和有源電池平衡技術。
　　無源電池平衡技術
　　被稱為“電阻泄漏”平衡的無源電池平衡方法使用一條簡單的電池放電路徑，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器主要用于許多無繩電池供電設備、助力自行車和輕便摩托車、不間斷電源以及醫療設備。其電路主要起到一個獨立電池保護系統的作用，使用5～10節串聯電池。除通過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比以便決定是否需要進行電池平衡。如果任何特定電池達到該閾值，則充電停止，并激活一條內部旁路。當高壓電池降至恢復極限值時，電池平衡停止，而繼續充電。