鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:943次 | 2023年05月05日
采用電池均衡技術(shù)處理SOC和C/E失配問(wèn)題
通常鋰離子電池組都由多個(gè)電池串聯(lián)而成,但是倘若電池之間的容量失配便會(huì)影響整個(gè)電池組的容量。為此,我們要對(duì)失配的電池進(jìn)行均衡。本文討論了電池均衡的概念和一些留意事項(xiàng)。
鋰離子電池組通常由一個(gè)或幾個(gè)電池包并聯(lián),每個(gè)電池包由3到4個(gè)電池串聯(lián)構(gòu)成。這種組合方式能同時(shí)滿(mǎn)足筆記本電腦、醫(yī)療設(shè)備、探測(cè)儀器及工業(yè)使用所需的電壓和功率要求。然而,這種使用普遍的配置通常并不能發(fā)揮其最大功效,因?yàn)樘热裟硞€(gè)串聯(lián)電池的容量與其它電池不匹配將會(huì)降低整個(gè)電池組的容量。
電池容量的不匹配包括充電狀態(tài)(SOC)失配和容量/能量(C/E)失配。在兩種情況下,電池組的總?cè)萘慷贾荒苓_(dá)到最弱電池的容量。在大多數(shù)情況下,引起電池失配的原由是工藝控制和測(cè)試手段的不完善,而不是鋰離子本身的化學(xué)屬性變化。棱柱形鋰離子電池(LiIonprismaticcell)在加工時(shí)要更強(qiáng)的機(jī)械壓力,電池之間更容易出現(xiàn)差異。此外,鋰離子聚合物電池也會(huì)因?yàn)椴捎眯碌墓に嚩霈F(xiàn)電池之間的差異。
采用電池均衡解決技術(shù)可處理SOC和C/E失配問(wèn)題,從而改進(jìn)串聯(lián)鋰離子電池組的性能。通過(guò)在初始調(diào)節(jié)過(guò)程中對(duì)電池進(jìn)行均衡解決可以矯正電池失配問(wèn)題,此后只需在充電過(guò)程中進(jìn)行均衡即可,而C/E失配則非得在充、放電過(guò)程都進(jìn)行均衡。盡管有關(guān)某個(gè)電池廠商而言其產(chǎn)品缺陷率可能很低,但為了戒備出現(xiàn)電池使用壽命過(guò)短的問(wèn)題,我們依然有必要供應(yīng)進(jìn)一步的質(zhì)量保證。
電池均衡的含義
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
工作電壓為6V或以上的便攜式設(shè)備采用串聯(lián)電池組供電,這種情況下電池組的總電壓為各串聯(lián)電池電壓之和。便攜式電腦的電池組通常由三、四個(gè)電池串聯(lián)而成,標(biāo)稱(chēng)電壓為10.8V或14.4V。在大多數(shù)此類(lèi)使用中,單個(gè)串聯(lián)電池組無(wú)法供應(yīng)設(shè)備所需能量。目前最大的電池(如18650)可供應(yīng)2,000mAh(毫安middot;小時(shí))能量,而電腦要50-60Whr(5,000-6,000mAh)的能量,因此非得給串聯(lián)的每個(gè)電池并聯(lián)三個(gè)電池。
電池均衡是指對(duì)串聯(lián)電池組中不同的電池(或電池包)采用差分電流。串聯(lián)電池組中每個(gè)電池的電流通常是相同的,因此非得給電池組新增額外的元件和電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電池均衡。惟有當(dāng)電池組中的電池是串聯(lián)的,同時(shí)串聯(lián)電池等于或大于三級(jí)時(shí)才會(huì)考慮電池均衡問(wèn)題。當(dāng)電池組中所有電池都滿(mǎn)足下面兩個(gè)條件時(shí),便實(shí)現(xiàn)了電池均衡:
1.倘若所有電池的容量相同,那么當(dāng)它們的相對(duì)充電狀態(tài)相同時(shí)便實(shí)現(xiàn)了電池均衡。SOC通常以當(dāng)前容量與額定容量的百分比來(lái)表示,因此,開(kāi)路電壓(OCV)可作為SOC的一個(gè)掂量標(biāo)準(zhǔn)。倘若一個(gè)不均衡電池組中的所有電池可以通過(guò)差分充電達(dá)到滿(mǎn)容量(均衡點(diǎn)),它們便可以進(jìn)行正常的充放電而無(wú)需任何額外的調(diào)整,通常這種調(diào)整是一次性的。用戶(hù)在使用新電池時(shí),通常要求對(duì)電池進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間充電,這個(gè)過(guò)程實(shí)際上包括一次完整的放-充電。該過(guò)程使負(fù)載最小化,并使電池充電時(shí)間最長(zhǎng),降低對(duì)電池均衡電路的要求。
2.倘若電池的容量不同,當(dāng)SOC相同時(shí)也認(rèn)為它們是均衡的。但SOC只是一個(gè)相對(duì)值,每個(gè)電池容量的絕對(duì)值是不同的。為了使容量不同的電池的SOC相同,每次對(duì)串聯(lián)電池進(jìn)行充放電時(shí)都非得使用差分電流。正常充放電的時(shí)間比初次充放電更短,并要更大的電流。
當(dāng)電池組中的電池不均衡時(shí),它的可用容量將減少,串聯(lián)電池組中容量最低的電池將決定電池組的總?cè)萘俊T诓痪怆姵亟M中,一個(gè)或幾個(gè)電池會(huì)在其它電池尚需充電時(shí)便已達(dá)到最大容量。而在放電時(shí),未完全充電的電池又會(huì)比其它電池先放完電,使電池組因電壓不足而提前停止供電。
標(biāo)稱(chēng)電壓:28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
通常,電池之間容量的差異低于3%。倘若串聯(lián)鋰離子電池組的某個(gè)電池不合標(biāo)準(zhǔn),或者在封裝前放置過(guò)久,在洋溢電后電壓差可達(dá)150mV,從而使電池組的總?cè)萘肯陆?3-18%。
SOC均衡解決
倘若電池組中所有電池的容量相同,我們便采用SOC均衡解決。當(dāng)所有電池的SOC值相同時(shí)我們認(rèn)為電池是均衡的。
單個(gè)電池的充電狀態(tài)含義為:
SOC=C/CTOTAL%
單個(gè)電池的容量含義為:
C=(i×t)mAh
為了確定某個(gè)電池的容量,我們將該電池完全放電然后再充電,并在充電過(guò)程中的不同時(shí)間進(jìn)行電流測(cè)量,直到達(dá)到4.20V的開(kāi)路電壓。最佳性能電池在該狀態(tài)下的SOC為100%,SOC為50%的OCV電壓通常稱(chēng)為VMID,其典型值為3.67V。
為了給容量不同的電池充電使它們達(dá)到同樣的SOC,要求一些電池的充/放電量非得比其它電池多,這非得使用差分電流。我們將這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為容量/能量最大化。
容量/能量最大化
容量/能量最大化是指將電池組中所有串聯(lián)電池設(shè)置為相同的SOC,即使它們的容量不同。在所有時(shí)間內(nèi)管理SOC,使電池組的輸出能量達(dá)到最大。為了使輸出能量最大化,所有的電池都非得洋溢電。即,所有電池的SOC非得為100%。倘若電池的容量不同,一些電池的充/放電就會(huì)比其它電池更多。例如,假設(shè)一個(gè)電池組有三個(gè)串聯(lián)電池,C1>C2=C3。均衡這個(gè)電池組的唯一辦法是給容量較高的電池(C1)施加一個(gè)差分充電電流。
在電池組放電時(shí)也非得如此,否則當(dāng)容量最小的電池達(dá)到關(guān)斷電壓時(shí),整個(gè)電池組便會(huì)停止放電,而此時(shí)其它電池仍有剩余容量,這樣使總?cè)萘拷档汀iL(zhǎng)此以往,容量最小的電池便會(huì)比其它電池性能衰退更快,經(jīng)過(guò)多個(gè)充/放電周期后將加速容量損耗。
通過(guò)匹配串聯(lián)電池的電壓,將從高容量電池汲取更多電流。放電時(shí)要求通過(guò)均衡消耗掉一些額外的電壓,在最后當(dāng)所有電池都達(dá)到0SOC時(shí),從電池組中獲得的總電能相有關(guān)均衡前依然會(huì)新增。
通常圓柱形鋰離子電池(cylindricalcell)的質(zhì)量控制通常都較好,電池容量差別不超過(guò)±3%。輸入容量基本上比較精確,差別不超過(guò)幾個(gè)mAs(毫安·秒)。因此,電池容量絕對(duì)值也基本準(zhǔn)確,SOC的差異在幾個(gè)百分點(diǎn)以?xún)?nèi)。