利用有源電池平衡技術(shù)增加大型鋰離子電池組能量供給

一些消費(fèi)類應(yīng)用要求單鋰離子電池(如手機(jī))，或者需要三節(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(shù)量不一，從筆記本電腦使用的六節(jié)電池到電動(dòng)汽車中使用的數(shù)百節(jié)電池，這給電池設(shè)計(jì)人員帶來許多新的設(shè)計(jì)困難。

這些大容量電池需要先進(jìn)的管理來確保獲得高品質(zhì)的設(shè)計(jì)。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(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，隨著電池組中所需電池?cái)?shù)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(shè)計(jì)中控制這些差異。

問題：電池狀態(tài)不匹配

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

在鋰離子電池組中，存在一些允許每節(jié)串聯(lián)電池達(dá)到的預(yù)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(qǐng)參見圖1A。只要每一節(jié)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(jié)電池達(dá)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(jī)本應(yīng)可用的電池組處于無法充電狀態(tài)(請(qǐng)參見圖1B)。另外，它不允許充電器向電池組充入應(yīng)有的大量能量(請(qǐng)參見圖1C)(過壓)。

圖1：電池不平衡對(duì)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(yīng)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電池選擇和較好的電池組設(shè)計(jì)來得到最小化。即便如此，所有前期設(shè)計(jì)工作中，電池不平衡的主要原因是非均勻熱應(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(請(qǐng)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(fèi)類電子應(yīng)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)和高溫下持續(xù)時(shí)間的增加以及充電周期時(shí)間的延長而增大。

解決方案：電池平衡技術(shù)

由于對(duì)能量供給的影響，以及串聯(lián)電池應(yīng)用中存在鋰離子電池過充電的危險(xiǎn)性，必須使用電池平衡技術(shù)來對(duì)失衡進(jìn)行校正。共有兩類電池平衡技術(shù)：無源電池平衡技術(shù)和有源電池平衡技術(shù)。

無源電池平衡技術(shù)

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(hù)器主要用于許多無繩電池供電設(shè)備、助力自行車和輕便摩托車、不間斷電源以及醫(yī)療設(shè)備。其電路主要起到一個(gè)獨(dú)立電池保護(hù)系統(tǒng)的作用，使用5～10節(jié)串聯(lián)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(duì)比以便決定是否需要進(jìn)行電池平衡。如果任何特定電池達(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，而繼續(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)參見圖3和圖4)。問題是，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。

一種解決方案是使用電池電量監(jiān)測計(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。這種方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實(shí)施方法。盡管有了許多改進(jìn)，但是單獨(dú)依靠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)測計(jì)產(chǎn)品系列，其使用阻抗追蹤平衡方法。這種電量計(jì)不再嘗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)所需要的電荷 (QNEED)，見圖5。這種平衡算法，在充電期間開啟電池平衡FET，以提供要求的QNEED。這類電池電量監(jiān)測計(jì)可輕松地實(shí)施基于QNEED的電池平衡方案，這是由于總電量和SOC在監(jiān)測功能中均較穩(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?，所以它可以?dú)立于電池充電、放電甚至閑置狀態(tài)工作。更為重要的是，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解決方案的無源電池平衡技術(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增強(qiáng)電池平衡(請(qǐng)參見圖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首先開啟。這便形成一條低電流通路，其通過連接電池端(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便被開啟。其缺點(diǎn)是，鄰近電池?zé)o法快速、同時(shí)獲得平衡。例如，如果鄰近內(nèi)部FET被開啟，則Q2不能被開啟，因?yàn)闆]有通過R2的電流。

圖6

圖7

圖7顯示了無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)測計(jì)解決方案。與前面所述的電池電量監(jiān)測計(jì)解決方案不同，這種IC沒有內(nèi)部電池平衡，但需要一個(gè)類似的外部旁路電路來完成平衡。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方法。

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，因此無源平衡并非是放電期間的首選方法。有源電池平衡使用電容或電感電荷穿梭來轉(zhuǎn)移電池之間的電荷，這是一種極為高效的方法。這是因?yàn)?，能量被轉(zhuǎn)至需要的地方，而非被放掉。這樣做的代價(jià)是會(huì)增加更多的部件和成本。

獲得專利的bq78PL114 PowerPump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?。它使用一?duì)MOSFET(N通道和P通道)以及一個(gè)功率電感來實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)鄰近電池之間建立電荷轉(zhuǎn)移電路。

電池組設(shè)計(jì)人員設(shè)定串聯(lián)電池之間的失衡閾值。如果IC測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圖。頂部電池(V3)需要將能量轉(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Q1流至電感。當(dāng)P3S信號(hào)重置時(shí)，Q1關(guān)閉，電感能量水平處在最高水平。因?yàn)殡姼须娏鞅仨毑粩嗔鲃?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。需要注意的是，由于其串聯(lián)電阻較低，存儲(chǔ)于該電感中的能量只有輕微的損耗。

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，在轉(zhuǎn)換器的低效率超過平衡電池的諸多好處以前，我們能將電荷移至多遠(yuǎn)？在我們的測試中使用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。但重要的是，忽略效率的情況下，在整個(gè)電池組可能達(dá)到完全平衡以前必須取得“區(qū)域平衡”。

除了這些明顯的優(yōu)點(diǎn)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，如果你決定在兩節(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。即使提供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抽取就像前面介紹的電壓無源電池平衡。正如圖4所示，充電期間的TV平衡并不總是產(chǎn)生一種趨向放電結(jié)束的平衡電量。這是由于我們前面提到過的電池阻抗不匹配。OCV抽取根據(jù)電池組電流和電池阻抗測量結(jié)果，通過估計(jì)OCV來補(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)參見圖9*)。觀察放電OCV圖(見圖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。如果我們已知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，這是由于可以通過改變組件值來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)勢，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。需要考慮到使用電壓無源平衡時(shí)一個(gè)電池組能夠獲得平衡的時(shí)間長短。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，大容量電池組整個(gè)壽命中，只有百分之幾的時(shí)間允許平衡。所以，許多電池組設(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。這就產(chǎn)生許多散熱問題，以及大型FET的成本問題。倘若利用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)周期來自電源電池的平均電流等于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的建議電感，并假設(shè)峰值電流約為460mA，則我們得到來自電源電池的平均電流為75mA。這個(gè)75mA的電流可長時(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。

問題不斷出現(xiàn)，“那么我需要多少平衡電流呢？”沒有人喜歡聽這個(gè)問題的答案，“這取決于幾方面！”首先，要知道一定時(shí)間下你期望的失衡漏電量。如果你的系統(tǒng)1小時(shí)20Ahr電池組放電后出現(xiàn)5%的失衡，則你就需要轉(zhuǎn)移大量的能量。PowerPump FET和電感需要相應(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)量和散熱控制是重要的前提因素。

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，該凈值定義為抽入電池的正數(shù)值，以及從電池抽取的負(fù)數(shù)值。如果一節(jié)電池的凈值過高，那么就會(huì)導(dǎo)致從其他電池接收太多的能量，則表明這是一塊壞電池。這是 SOH計(jì)算的一個(gè)組成部分，同其他參數(shù)類似，例如：電池阻抗和完全充電電量等。

結(jié)論

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)電池需要的平衡，因此電池組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，可避免電池的不當(dāng)使用，而它通常是導(dǎo)致更多失衡和早期電池老化的原因。電池化學(xué)成份、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用越來越多樣化，要求電池組設(shè)計(jì)人員也要技術(shù)升級(jí)。