鉅大LARGE | 點擊量：899次 | 2021年08月29日
電源管理：有源電池平衡技術提高大型鋰離子電池包供電能力
一些消費類使用要求單鋰離子電池(如手機)，或者要三節(jié)串聯和兩節(jié)并聯電池(如筆記本電腦)。這就引發(fā)了對更高功率、更高容量以及更加穩(wěn)健電池包的需求。串聯安裝電池可以提高電壓，而并聯安裝的電池則可以新增容量。這些電池包數量不一，從筆記本電腦使用的六節(jié)電池到電動汽車中使用的數百節(jié)電池，這給電池設計人員帶來許多新的設計困難。
這些大容量電池要先進的管理來確保獲得高品質的設計。我們非得考慮適宜的溫度、電壓和電流測量。隨著鋰離子電池包越來越大型，要求更多地關注散熱管理、電池包可靠性、電池使用壽命和電池平衡。實際上，隨著電池包中所需電池數量的新增，電池單元之間的溫度、容量和串聯阻抗差異成為一個緊要問題。本文將緊要討論這些差異帶來的影響，以及要怎么樣在電池設計中控制這些差異。
問題：電池狀態(tài)不匹配
電池的用途是為其主機存儲和供應能量。我們想盡可能多地向(從)電池包存儲和獲取能量。阻礙多節(jié)電池包完成這一工作的緊要方面是電池阻抗。讓我們來看一看其是要怎么樣影響向電池主機供電的。
在鋰離子電池包中，存在一些準許每節(jié)串聯電池達到的預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，則該電池包便能夠放電和充電。倘若一節(jié)電池達到上述任何一個閾值，則整個電池包便會封閉(欠壓)，從而讓主機本應可用的電池包處于無法充電狀態(tài)(請參見圖1b)。另外，它不準許充電器向電池包充入應有的大量能量(請參見圖1C)(過壓)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
圖1：電池不平衡有關電池容量使用的影響。
電池不平衡的原由有很多：
*非平均熱應力
*阻抗變量
*低電池容量匹配
*化學差別
這些原由中的有一些可以通過電池選擇和較好的電池包設計來得到最小化。即便如此，所有前期設計工作中，電池不平衡的緊要原由是非平均熱應力。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，其聲明溫度差異的程度，即便在消費類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(tài)和高溫下繼續(xù)時間的新增以及充電周期時間的延長而增大。
處理辦法：電池平衡技術
由于對能量供給的影響，以及串聯電池使用中存在鋰離子電池過充電的危險性，非得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辦法使用一條簡單的電池放電路徑，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器緊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(yī)療設備。其電路緊要起到一個獨立電池保護系統(tǒng)的用途，使用5～10節(jié)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比較以便決定是不是要進行電池平衡。倘若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)散作為平衡標準，具有過平衡(或欠平衡)的缺點，這是由于存在阻抗失衡影響(請參見圖3和圖4)。問題是，電池阻抗還會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。
一種處理辦法是使用電池電量監(jiān)測計，例如：bq2084等。它們都擁有改進的電壓平衡技術。由于電池間的阻抗差異會誤導算法，因此它只在充電周期末端附近進行平衡。這種辦法最小化了阻抗差異的影響，這是因為當充電電流逐漸減弱至終止閾值時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，但是單獨依賴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，并且僅在充電時工作。
另一個例子是bq20zxx電池電量監(jiān)測計產品系列，其使用阻抗追蹤平衡辦法。這種電量計不再嘗試最小化電壓差異錯誤的影響，而是計算每節(jié)電池達到完全充電狀態(tài)所要的電荷(QNEED)，見圖5。這種平衡算法，在充電期間開啟電池平衡FET，以供應要求的QNEED。這類電池電量監(jiān)測計可輕松地執(zhí)行基于QNEED的電池平衡辦法，這是由于總電量和SOC在監(jiān)測功能中均較穩(wěn)定地處于可用狀態(tài)。因為電池平衡并未讓電池阻抗差異失真，所以它可以獨立于電池充電、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處理辦法的無源電池平衡技術的平衡能力有限，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，它可能會占用幾個周期來對一般失衡進行校正。利用現有組件設計一些外部旁路電路可以加強電池平衡(請參見圖6和圖7)。在圖6中，當決定對某節(jié)電池進行平衡時內部平衡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。當內部FET柵-源電壓在電阻中形成，該外部MOSFET便被開啟。其缺點是，鄰近電池無法快速、同時獲得平衡。例如，倘若鄰近內部FET被開啟，則Q2不能被開啟，因為沒有通過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)測計處理辦法。與前面所述的電池電量監(jiān)測計處理辦法不同，這種IC沒有內部電池平衡，但要一個類似的外部旁路電路來完成平衡。然而，由于該平衡實現電路是一個IC內部的開路漏極，因此它可以同時平衡包括鄰近電池在內的數節(jié)電池。這種平衡電路使用一種改進的電壓算法，正如圖6所示電路。但是，圖7中的外部FET驅動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轉移電池之間的電荷，這是一種極為高效的辦法。這是因為，能量被轉至要的地方，而非被放掉。這樣做的代價是會新增更多的部件和成本。
獲得專利的bq78pL114powerpump電池平衡技術是使用電感電荷傳輸的有源電池平衡的最新例子。它使用一對MOSFET(N通道和p通道)以及一個功率電感來實今朝兩個鄰近電池之間建立電荷轉移電路。
電池包設計人員設定串聯電池之間的失衡閾值。倘若IC測量到超出該閾值的失衡，它就會啟用powerpump。圖8顯示的是使用了兩個MOSFET(Q1和Q2)及一個功率電感的降壓升壓電路簡圖。頂部電池(V3)要將能量轉移至低位電池(V2)，p3S信號(工作在約200kHz和30%占空比下)觸發(fā)該能量轉移，隨后能量通過Q1流至電感。當p3S信號重置時，Q1封閉，電感能量水平處在最高水平。因為電感電流非得不斷流動，因此Q2的體二極管被正向偏置，從而完成向V2位置電池的電荷轉移。要留意的是，由于其串聯電阻較低，存儲于該電感中的能量惟有輕微的損耗。
圖8：使用powerpump技術的電池平衡。
假定串聯電池的長度和容量不定，則轉移電荷時有一些限制。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？換句話說，在轉換器的低效率超過平衡電池的諸多好處往日，我們能將電荷移至多遠？在我們的探測中使用85%的估計效率，powerpump僅將能量轉移至不到6節(jié)電池遠的地方。但緊要的是，忽略效率的情況下，在整個電池包可能達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)勢以外，powerpump電池平衡技術的好處是平衡可能忽略單個電池電壓。這意味著，倘若你決定在兩節(jié)電池之間轉移電荷，它可以在任何電池工作模式序列(充電、放電和重置)期間進行。即使供應電荷的電池電壓比接收電荷的電池電壓低(例如，充電或放電時較低的電池電阻引起的低電壓)也可以完成轉移。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(預平衡)
TV抽取就像前面解析的電壓無源電池平衡。正如圖4所示，充電期間的TV平衡并不總是出現一種趨向放電結束的平衡電量。這是由于我們前面提到過的電池阻抗不匹配。OCV抽取依據電池包電流和電池阻抗測量結果，通過估計OCV來補償阻抗差異。
圖9
圖10
SOC抽取以一種同阻抗追蹤器件類似的方式工作，它計算出每一節(jié)電池的精確電荷電平，并在電池之間轉移能量，這樣電池電量在充電結束時(EOC)就實現了平衡(請參見圖9*)。觀察放電OCV圖(見圖10*)，我們將每一節(jié)電池預平衡到一個反映其電量的失調電壓。幾個百分點的電量差異會使該放電曲線中下方出現巨大差異。倘若我們已知1%到2%的電量，我們便可以在放電結束時擁有極為接近的匹配性。這就是在充電完成和放電結束時，你想要利用有源平衡技術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，powerpump技術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，其為內部旁路平衡的12到20倍。利用這個優(yōu)點，有源電池平衡可以在一個周期(95%時間)內對電量失衡進行校正。
在更大的電容式電池中，powerpump技術的結果差異甚至更大。要考慮到使用電壓無源平衡時一個電池包能夠獲得平衡的時間長短。唯一的電池能量電平即為一個充電周期放出部分中出現的正平衡。因此，大容量電池包整個壽命中，惟有百分之幾的時間準許平衡。所以，許多電池包設計人員都選擇1安培電流平衡，甚至是10安培以上的電流。這就出現許多散熱問題，以及大型FET的成本問題。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計障礙。
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、電感和接通時間決定。整個周期來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15uH的提議電感，并假設峰值電流約為460mA，則我們得到來自電源電池的均勻電流為75mA。這個75mA的電流可長時間出現。這便讓整個系統(tǒng)維持在平衡狀態(tài)下，因此在充電完成和放電結束時我們交換了最多的能量。
問題不斷出現，“那么我要多少平衡電流呢？”沒有人喜歡聽這個問題的答案，“這取決于幾方面！”首先，要了解一按時間下你期待的失衡漏電量。倘若你的系統(tǒng)1小時20Ahr電池包放電后出現5%的失衡，則你就要轉移大量的能量。powerpumpFET和電感要相應地安排大小尺寸。另外，也可以使用最新固件的Superpump選項。它讓你能夠擁有更大的占空比，以便在正常模式期間當某些測量暫停時移動能量。如前所述，在確定可以獲得多少平衡時，電池質量和散熱控制是緊要的前提因素。
有源電池平衡的一個安全方面好處是，我們可以跟蹤一節(jié)電池使用的時間。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值，以及從電池抽取的負數值。倘若一節(jié)電池的凈值過高，那么就會導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計算的一個組成部分，同其他參數類似，例如：電池阻抗和完全充電電量等。
本文小結
側重于安全性和使用壽命的一些新興電池技術，通常都擁有先進的電池平衡和有效的散熱管理。由于新的電池平衡技術可跟蹤單個電池要的平衡，因此電池包的使用壽命和總體安全性都已提高。在每個周期都對電池進行平衡，可戒備電池的不當使用，而它通常是導致更多失衡和早期電池老化的原由。電池化學成份、結構和使用越來越多樣化，要求電池包設計人員也要技術升級。
