一些消費(fèi)類(lèi)使用要求單鋰離子電池(如手機(jī))，或者要三節(jié)串聯(lián)和兩節(jié)并聯(lián)電池(如筆記本電腦)。這就引發(fā)了對(duì)更高功率、更高容量以及更加穩(wěn)健電池包的需求。串聯(lián)安裝電池可以提高電壓，而并聯(lián)安裝的電池則可以新增容量。這些電池包數(shù)量不一，從筆記本電腦使用的六節(jié)電池到電動(dòng)汽車(chē)中使用的數(shù)百節(jié)電池，這給電池設(shè)計(jì)人員帶來(lái)許多新的設(shè)計(jì)困難。

這些大容量電池要先進(jìn)的管理來(lái)確保獲得高品質(zhì)的設(shè)計(jì)。我們非得考慮適宜的溫度、電壓和電流測(cè)量。隨著鋰離子電池包越來(lái)越大型，要求更多地關(guān)注散熱管理、電池包可靠性、電池使用壽命和電池平衡。實(shí)際上，隨著電池包中所需電池?cái)?shù)量的新增，電池單元之間的溫度、容量和串聯(lián)阻抗差異成為一個(gè)緊要問(wèn)題。本文將緊要討論這些差異帶來(lái)的影響，以及要怎么樣在電池設(shè)計(jì)中控制這些差異。

問(wèn)題：電池狀態(tài)不匹配

電池的用途是為其主機(jī)存儲(chǔ)和供應(yīng)能量。我們想盡可能多地向(從)電池包存儲(chǔ)和獲取能量。阻礙多節(jié)電池包完成這一工作的緊要方面是電池阻抗。讓我們來(lái)看一看其是要怎么樣影響向電池主機(jī)供電的。

在鋰離子電池包中，存在一些準(zhǔn)許每節(jié)串聯(lián)電池達(dá)到的預(yù)含義電壓最小值和最大值。這是一種由電池包中IC控制的安全特性，請(qǐng)參見(jiàn)圖1A。只要每一節(jié)電池均保持在過(guò)壓和欠壓斷開(kāi)范圍之間，則該電池包便能夠放電和充電。倘若一節(jié)電池達(dá)到上述任何一個(gè)閾值，則整個(gè)電池包便會(huì)封閉(欠壓)，從而讓主機(jī)本應(yīng)可用的電池包處于無(wú)法充電狀態(tài)(請(qǐng)參見(jiàn)圖1b)。另外，它不準(zhǔn)許充電器向電池包充入應(yīng)有的大量能量(請(qǐng)參見(jiàn)圖1C)(過(guò)壓)。

圖1：電池不平衡有關(guān)電池容量使用的影響。

電池不平衡的原由有很多：

*非平均熱應(yīng)力

*阻抗變量

*低電池容量匹配

*化學(xué)差別

這些原由中的有一些可以通過(guò)電池選擇和較好的電池包設(shè)計(jì)來(lái)得到最小化。即便如此，所有前期設(shè)計(jì)工作中，電池不平衡的緊要原由是非平均熱應(yīng)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(yīng)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(zhǎng)(請(qǐng)參見(jiàn)圖2*)。這是一幅筆記本電腦FLIR圖，其聲明溫度差異的程度，即便在消費(fèi)類(lèi)電子使用中也是如此。溫度每升高10℃，一節(jié)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(nèi)部阻抗是溫度的函數(shù)。較低溫度的電池表現(xiàn)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)和高溫下繼續(xù)時(shí)間的新增以及充電周期時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

處理辦法：電池平衡技術(shù)

由于對(duì)能量供給的影響，以及串聯(lián)電池使用中存在鋰離子電池過(guò)充電的危險(xiǎn)性，非得使用電池平衡技術(shù)來(lái)對(duì)失衡進(jìn)行校正。共有兩類(lèi)電池平衡技術(shù)：無(wú)源電池平衡技術(shù)和有源電池平衡技術(shù)。

無(wú)源電池平衡技術(shù)

被稱(chēng)為“電阻泄漏”平衡的無(wú)源電池平衡辦法使用一條簡(jiǎn)單的電池放電路徑，在所有電池電壓相等往日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等鋰離子電池包保護(hù)器緊要用于許多無(wú)繩電池供電設(shè)備、助力自行車(chē)和輕便摩托車(chē)、不間斷電源以及醫(yī)療設(shè)備。其電路緊要起到一個(gè)獨(dú)立電池保護(hù)系統(tǒng)的用途，使用5～10節(jié)串聯(lián)電池。除通過(guò)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比較以便決定是不是要進(jìn)行電池平衡。倘若任何特定電池達(dá)到該閾值，則充電停止，并激活一條內(nèi)部旁路。當(dāng)高壓電池降至恢復(fù)極限值時(shí)，電池平衡停止，而持續(xù)充電。

圖3

圖4

電池平衡算法只使用電壓發(fā)散作為平衡標(biāo)準(zhǔn)，具有過(guò)平衡(或欠平衡)的缺點(diǎn)，這是由于存在阻抗失衡影響(請(qǐng)參見(jiàn)圖3和圖4)。問(wèn)題是，電池阻抗還會(huì)在充電期間引起電壓差異(VDiff_Start和VDiff_End)。簡(jiǎn)單的電壓電池平衡并未區(qū)分是電量失衡還是阻抗失衡。因此，這種平衡不能保證完全充電后所有電池均獲得100%的電量。

一種處理辦法是使用電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)，例如：bq2084等。它們都擁有改進(jìn)的電壓平衡技術(shù)。由于電池間的阻抗差異會(huì)誤導(dǎo)算法，因此它只在充電周期末端附近進(jìn)行平衡。這種辦法最小化了阻抗差異的影響，這是因?yàn)楫?dāng)充電電流逐漸減弱至終止閾值時(shí)IRbAT壓降也變得更小。另外，這種IC還使平衡判斷基于所有電池電壓，所以它是一種更加高效的執(zhí)行辦法。盡管有了許多改進(jìn)，但是單獨(dú)依賴(lài)電壓電平的這種需求將平衡操作限制在高充電狀態(tài)(SOC)區(qū)域，并且僅在充電時(shí)工作。

另一個(gè)例子是bq20zxx電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)產(chǎn)品系列，其使用阻抗追蹤平衡辦法。這種電量計(jì)不再?lài)L試最小化電壓差異錯(cuò)誤的影響，而是計(jì)算每節(jié)電池達(dá)到完全充電狀態(tài)所要的電荷(QNEED)，見(jiàn)圖5。這種平衡算法，在充電期間開(kāi)啟電池平衡FET，以供應(yīng)要求的QNEED。這類(lèi)電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)可輕松地執(zhí)行基于QNEED的電池平衡辦法，這是由于總電量和SOC在監(jiān)測(cè)功能中均較穩(wěn)定地處于可用狀態(tài)。因?yàn)殡姵仄胶獠⑽醋岆姵刈杩共町愂д妫运梢元?dú)立于電池充電、放電甚至閑置狀態(tài)工作。更為緊要的是，它獲得了最佳的平衡精度。

圖5：基于QNEED的電池平衡。

由于使用集成FET處理辦法的無(wú)源電池平衡技術(shù)的平衡能力有限，因此電池差異或失衡率可能超過(guò)電池平衡。另外，由于存在低旁路電流，它可能會(huì)占用幾個(gè)周期來(lái)對(duì)一般失衡進(jìn)行校正。利用現(xiàn)有組件設(shè)計(jì)一些外部旁路電路可以加強(qiáng)電池平衡(請(qǐng)參見(jiàn)圖6和圖7)。在圖6中，當(dāng)決定對(duì)某節(jié)電池進(jìn)行平衡時(shí)內(nèi)部平衡MOSFET首先開(kāi)啟。這便形成一條低電流通路，其通過(guò)連接電池端(電池1和電池2)及IC引腳的外部濾波器電阻。當(dāng)內(nèi)部FET柵-源電壓在電阻中形成，該外部MOSFET便被開(kāi)啟。其缺點(diǎn)是，鄰近電池?zé)o法快速、同時(shí)獲得平衡。例如，倘若鄰近內(nèi)部FET被開(kāi)啟，則Q2不能被開(kāi)啟，因?yàn)闆](méi)有通過(guò)R2的電流。

圖6

圖7

圖7顯示了無(wú)源電池平衡的最新例子。它是一款低成本、單芯片電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)處理辦法。與前面所述的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)處理辦法不同，這種IC沒(méi)有內(nèi)部電池平衡，但要一個(gè)類(lèi)似的外部旁路電路來(lái)完成平衡。然而，由于該平衡實(shí)現(xiàn)電路是一個(gè)IC內(nèi)部的開(kāi)路漏極，因此它可以同時(shí)平衡包括鄰近電池在內(nèi)的數(shù)節(jié)電池。這種平衡電路使用一種改進(jìn)的電壓算法，正如圖6所示電路。但是，圖7中的外部FET驅(qū)動(dòng)器描述了更為有效的電池平衡辦法。

有源電池平衡

由于高能量電池中100%的多余能量都以熱的形式耗散掉了，因此無(wú)源平衡并非是放電期間的首選辦法。有源電池平衡使用電容或電感電荷穿梭來(lái)轉(zhuǎn)移電池之間的電荷，這是一種極為高效的辦法。這是因?yàn)椋芰勘晦D(zhuǎn)至要的地方，而非被放掉。這樣做的代價(jià)是會(huì)新增更多的部件和成本。

獲得專(zhuān)利的bq78pL114powerpump電池平衡技術(shù)是使用電感電荷傳輸?shù)挠性措姵仄胶獾淖钚吕印Ｋ褂靡粚?duì)MOSFET(N通道和p通道)以及一個(gè)功率電感來(lái)實(shí)今朝兩個(gè)鄰近電池之間建立電荷轉(zhuǎn)移電路。

電池包設(shè)計(jì)人員設(shè)定串聯(lián)電池之間的失衡閾值。倘若IC測(cè)量到超出該閾值的失衡，它就會(huì)啟用powerpump。圖8顯示的是使用了兩個(gè)MOSFET(Q1和Q2)及一個(gè)功率電感的降壓升壓電路簡(jiǎn)圖。頂部電池(V3)要將能量轉(zhuǎn)移至低位電池(V2)，p3S信號(hào)(工作在約200kHz和30%占空比下)觸發(fā)該能量轉(zhuǎn)移，隨后能量通過(guò)Q1流至電感。當(dāng)p3S信號(hào)重置時(shí)，Q1封閉，電感能量水平處在最高水平。因?yàn)殡姼须娏鞣堑貌粩嗔鲃?dòng)，因此Q2的體二極管被正向偏置，從而完成向V2位置電池的電荷轉(zhuǎn)移。要留意的是，由于其串聯(lián)電阻較低，存儲(chǔ)于該電感中的能量惟有輕微的損耗。

圖8：使用powerpump技術(shù)的電池平衡。

假定串聯(lián)電池的長(zhǎng)度和容量不定，則轉(zhuǎn)移電荷時(shí)有一些限制。一種考慮是在我們不再獲得能量供給優(yōu)化之前，我們能將能量移至多遠(yuǎn)？換句話說(shuō)，在轉(zhuǎn)換器的低效率超過(guò)平衡電池的諸多好處往日，我們能將電荷移至多遠(yuǎn)？在我們的探測(cè)中使用85%的估計(jì)效率，powerpump僅將能量轉(zhuǎn)移至不到6節(jié)電池遠(yuǎn)的地方。但緊要的是，忽略效率的情況下，在整個(gè)電池包可能達(dá)到完全平衡往日非得取得“區(qū)域平衡”。

除了這些分明的優(yōu)勢(shì)以外，powerpump電池平衡技術(shù)的好處是平衡可能忽略單個(gè)電池電壓。這意味著，倘若你決定在兩節(jié)電池之間轉(zhuǎn)移電荷，它可以在任何電池工作模式序列(充電、放電和重置)期間進(jìn)行。即使供應(yīng)電荷的電池電壓比接收電荷的電池電壓低(例如，充電或放電時(shí)較低的電池電阻引起的低電壓)也可以完成轉(zhuǎn)移。相比“電阻泄漏”平衡，能量的熱損耗較小。

下列為三種可選平衡算法：

*端壓(TV)抽取

*開(kāi)路電壓(OCV)抽取

*充電狀態(tài)(SOC)抽取(預(yù)平衡)

TV抽取就像前面解析的電壓無(wú)源電池平衡。正如圖4所示，充電期間的TV平衡并不總是出現(xiàn)一種趨向放電結(jié)束的平衡電量。這是由于我們前面提到過(guò)的電池阻抗不匹配。OCV抽取依據(jù)電池包電流和電池阻抗測(cè)量結(jié)果，通過(guò)估計(jì)OCV來(lái)補(bǔ)償阻抗差異。

圖9

圖10

SOC抽取以一種同阻抗追蹤器件類(lèi)似的方式工作，它計(jì)算出每一節(jié)電池的精確電荷電平，并在電池之間轉(zhuǎn)移能量，這樣電池電量在充電結(jié)束時(shí)(EOC)就實(shí)現(xiàn)了平衡(請(qǐng)參見(jiàn)圖9*)。觀察放電OCV圖(見(jiàn)圖10*)，我們將每一節(jié)電池預(yù)平衡到一個(gè)反映其電量的失調(diào)電壓。幾個(gè)百分點(diǎn)的電量差異會(huì)使該放電曲線中下方出現(xiàn)巨大差異。倘若我們已知1%到2%的電量，我們便可以在放電結(jié)束時(shí)擁有極為接近的匹配性。這就是在充電完成和放電結(jié)束時(shí)，你想要利用有源平衡技術(shù)有效地讓電池獲得最佳平衡的區(qū)域。

相比傳統(tǒng)的無(wú)源平衡技術(shù)，powerpump技術(shù)可以更好地校正電池失衡，這是由于可以通過(guò)改變組件值來(lái)控制更高的平衡電流。

筆記本電腦中，有效的平衡電流通常為25到50mA，其為內(nèi)部旁路平衡的12到20倍。利用這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，有源電池平衡可以在一個(gè)周期(95%時(shí)間)內(nèi)對(duì)電量失衡進(jìn)行校正。

在更大的電容式電池中，powerpump技術(shù)的結(jié)果差異甚至更大。要考慮到使用電壓無(wú)源平衡時(shí)一個(gè)電池包能夠獲得平衡的時(shí)間長(zhǎng)短。唯一的電池能量電平即為一個(gè)充電周期放出部分中出現(xiàn)的正平衡。因此，大容量電池包整個(gè)壽命中，惟有百分之幾的時(shí)間準(zhǔn)許平衡。所以，許多電池包設(shè)計(jì)人員都選擇1安培電流平衡，甚至是10安培以上的電流。這就出現(xiàn)許多散熱問(wèn)題，以及大型FET的成本問(wèn)題。假若利用powerpump可獲得真正的不間斷平衡可能性，那么就可以最小化這些設(shè)計(jì)障礙。

外部組件的選擇決定你平衡電流的多少。峰值電感電流由電池電壓、電感和接通時(shí)間決定。整個(gè)周期來(lái)自電源電池的均勻電流等于0.5x(峰值電流)×占空比。在正常抽取模式下，占空比為33%。例如：使用一個(gè)15uH的提議電感，并假設(shè)峰值電流約為460mA，則我們得到來(lái)自電源電池的均勻電流為75mA。這個(gè)75mA的電流可長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)。這便讓整個(gè)系統(tǒng)維持在平衡狀態(tài)下，因此在充電完成和放電結(jié)束時(shí)我們交換了最多的能量。

問(wèn)題不斷出現(xiàn)，“那么我要多少平衡電流呢？”沒(méi)有人喜歡聽(tīng)這個(gè)問(wèn)題的答案，“這取決于幾方面！”首先，要了解一按時(shí)間下你期待的失衡漏電量。倘若你的系統(tǒng)1小時(shí)20Ahr電池包放電后出現(xiàn)5%的失衡，則你就要轉(zhuǎn)移大量的能量。powerpumpFET和電感要相應(yīng)地安排大小尺寸。另外，也可以使用最新固件的Superpump選項(xiàng)。它讓你能夠擁有更大的占空比，以便在正常模式期間當(dāng)某些測(cè)量暫停時(shí)移動(dòng)能量。如前所述，在確定可以獲得多少平衡時(shí)，電池質(zhì)量和散熱控制是緊要的前提因素。

有源電池平衡的一個(gè)安全方面好處是，我們可以跟蹤一節(jié)電池使用的時(shí)間。我們可以跟蹤每節(jié)電池的凈抽取值，該凈值含義為抽入電池的正數(shù)值，以及從電池抽取的負(fù)數(shù)值。倘若一節(jié)電池的凈值過(guò)高，那么就會(huì)導(dǎo)致從其他電池接收太多的能量，則聲明這是一塊壞電池。這是SOH計(jì)算的一個(gè)組成部分，同其他參數(shù)類(lèi)似，例如：電池阻抗和完全充電電量等。

本文小結(jié)

側(cè)重于安全性和使用壽命的一些新興電池技術(shù)，通常都擁有先進(jìn)的電池平衡和有效的散熱管理。由于新的電池平衡技術(shù)可跟蹤單個(gè)電池要的平衡，因此電池包的使用壽命和總體安全性都已提高。在每個(gè)周期都對(duì)電池進(jìn)行平衡，可戒備電池的不當(dāng)使用，而它通常是導(dǎo)致更多失衡和早期電池老化的原由。電池化學(xué)成份、結(jié)構(gòu)和使用越來(lái)越多樣化，要求電池包設(shè)計(jì)人員也要技術(shù)升級(jí)。