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1、锂电池均衡介绍为了给设备提供足够的电压，锂电池包通常由多个电池串联而成，但是如果电池之间的容量失配便会影响整个电池包的容量。为此，我们需要对失配的电池进行均衡。本文讨论了电池均衡的概念和一些注意事项。锂电池包通常由一个或几个电池组并联，每个电池组由3到4个电池串联构成。这种组合方式能同时满足笔记本电脑、医疗设备、测试仪器及工业应用所需的电压和功率要求。然而，这种应用普遍的配置通常并不能发挥其最大功效，因为如果某个串联电池的容量与其它电池不匹配将会降低整个电池包的容量。电池容量的不匹配包括充电状态(SOC)失配和容量/能量(C/E)失配。在两种情况下，电池包的总容量都只能达到最弱电池的容量。在大
2、多数情况下，引起电池失配的原因是工艺控制和检测手段的不完善，而不是锂离子本身的化学属性变化。棱柱形锂电池(LiIonprismaticcell)在生产时需要更强的机械压力，电池之间更容易产生差异。此外，锂离子聚合物电池也会因为采用新的工艺而出现电池之间的差异。采用电池均衡处理技术可解决SOC和C/E失配问题，从而改进串联锂电池包的性能。通过在初始调节过程中对电池进行均衡处理可以矫正电池失配问题，此后只需在充电过程中进行均衡即可，而C/E失配则必须在充、放电过程都进行均衡。尽管对于某个电池厂商而言其产品缺陷率可能很低，但为了避免出现电池使用寿命过短的问题，我们仍然有必要提供进一步的质量保证。电池
3、均衡的定义工作电压为6V或以上的便携式设备采用串联电池包供电，这种情况下电池包的总电压为各串联电池电压之和。便携式电脑的电池包通常由三、四个电池串联而成，标称电压为10.8V或14.4V。在大多数此类应用中，单个串联电池包无法提供设备所需能量。目前最大的电池(如18650)可提供2,000mAh(毫安小时)能量，而电脑需要50-60Whr(5,000-6,000mAh)的能量，因此必须给串联的每个电池并联三个电池。电池均衡是指对串联电池包中不同的电池(或电池组)采用差分电流。串联电池包中每个电池的电流通常是一样的，因此必须给电池包增加额外的元件和电路来实现电池均衡。只有当电池包中的电池是串联的
4、，同时串联电池等于或大于三级时才会考虑电池均衡问题。当电池包中所有电池都满足下面两个条件时，便实现了电池均衡：1.如果所有电池的容量相同，那么当它们的相对充电状态一样时便实现了电池均衡。SOC通常以当前容量与额定容量的百分比来表示，因此，开路电压(OCV)可作为SOC的一个衡量标准。如果一个不均衡电池包中的所有电池可以通过差分充电达到满容量(均衡点)，它们便可以进行正常的充放电而无需任何额外的调整，通常这种调整是一次性的。用户在使用新电池时，通常需要求对电池进行长时间充电，这个过程实际上包括一次完整的放-充电。该过程使负载最小化，并使电池充电时间最长，降低对电池均衡电路的要求。2.如果电池的容
5、量不同，当SOC相同时也认为它们是均衡的。但SOC只是一个相对值，每个电池容量的绝对值是不同的。为了使容量不同的电池的SOC相同，每次对串联电池进行充放电时都必须使用差分电流。正常充放电的时间比初次充放电更短，并需要更大的电流。当电池包中的电池不均衡时，它的可用容量将减少，串联电池包中容量最低的电池将决定电池包的总容量。在不均衡电池包中，一个或几个电池会在其它电池尚需充电时便已达到最大容量。而在放电时，未完全充电的电池又会比其它电池先放完电，使电池包因电压不足而提前停止供电。通常，电池之间容量的差异低于3%。如果串联锂电池包的某个电池不合标准，或者在封装前放置过久，在充满电后电压差可达150m
6、V，从而使电池包的总容量下降13-18%。SOC均衡处理如果电池包中所有电池的容量相同，我们便采用SOC均衡处理。当所有电池的SOC值相同时我们认为电池是均衡的。单个电池的充电状态定义为：SOC=C/CTOTAL%单个电池的容量定义为：C=(it)mAh为了确定某个电池的容量，我们将该电池完全放电然后再充电，并在充电过程中的不同时间进行电流测量，直到达到4.20V的开路电压。最佳性能电池在该状态下的SOC为100%，SOC为50%的OCV电压通常称为VMID，其典型值为3.67V。为了给容量不同的电池充电使它们达到同样的SOC，要求一些电池的充/放电量必须比其它电池多，这必须使用差分电流。我们
7、将这个过程称之为容量/能量最大化。容量/能量最大化容量/能量最大化是指将电池包中所有串联电池设置为相同的SOC，即使它们的容量不同。在所有时间内管理SOC，使电池包的输出能量达到最大。为了使输出能量最大化，所有的电池都必须充满电。即，所有电池的SOC必须为100%。如果电池的容量不同，一些电池的充/放电就会比其它电池更多。例如，假设一个电池包有三个串联电池，C1C2=C3。均衡这个电池包的唯一方法是给容量较高的电池(C1)施加一个差分充电电流。在电池包放电时也必须如此，否则当容量最小的电池达到关断电压时，整个电池包便会停止放电，而此时其它电池仍有剩余容量，这样使总容量降低。长此以往，容量最小的
8、电池便会比其它电池性能衰退更快，经过多个充/放电周期后将加速容量损耗。通过匹配串联电池的电压，将从高容量电池汲取更多电流。放电时要求通过均衡消耗掉一些额外的电压，在最后当所有电池都达到0SOC时，从电池包中获得的总电能相对于均衡前仍然会增加。通常圆柱形锂离子电池(cylindricalcell)的质量控制通常都较好，电池容量差别不超过3%。输入容量基本上比较精确，差别不超过几个mAs(毫安秒)。因此，电池容量绝对值也基本准确，SOC的差异在几个百分点以内。电池组管理之电池均衡技术介绍时间：2012-09-11 20:04:56来源： 作者：写到电池均衡，基本上已经触及了BMS的核心区域，首先需
9、要明白几点问题。1.电池均衡是有限度的，效果需要用一定的参数进行评价。2.电池均衡在HEV和EV里面，要求有很大的区别。3.电池均衡的效果必须与成本和额外的能量消耗进行博弈和妥协。而且其实有必要搞清楚为什么要进行均衡，从几篇论文中，可以得到一些明确的阐述：SAE_Battery Charge EqualizationState of the Art and Future TrendsSAE_A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium Polymer Battery Systems这两篇文章都是对这个方面较为
10、全面的论述，中文的文章有一文动力电池组特性分析与均衡管理写得比较全面，但是可能太抽象了。均衡的原因：EV和HEV都需要在充电和放电阶段承受很大的瞬间电流，充电的时候表现在制动能量回收(regenerative braking current)。对于锂电池而言，这么大的充电电流可能是部分较满的电池直接超过损坏的电压区间。放电阶段则是电机在启动和汽车加速的时候，需要很高的瞬间能量。大的放电电流，可能让某些电池处于深度放电的状态，一是影响输出电流，二是电池本身就会损坏。2010 Honda Insight-II的示意图片对于上述的电流计算，其实和整车有很大的关系，相信在后面找到充分的资料和计算公式以
11、后，可以把能量管理单元(Energy Storage System)动力单元(Power Train Sytem)和最终的车体环境的参数建立一些计算和评估的公式，在对比当前卖得一些“电动车”时候可以做出一些初步的Review.电池单体的差异主要表现在内阻和随着时间推移和温度变化时候，容量会有差异。高内阻和低容量的电池，在放电电流大的时候会出现更大的电压摆幅。与标准电池差异大的电池更容易损坏，因此某种程度上，需要使用均衡的算法，使得整个电池组摆脱短板效应。均衡的方法分类：充电均衡，放电均衡和动态均衡。1.充电均衡在充电过程中后期,部分电池的容量很高，其单体电压已经超过设定的限制的时候(一般要比截
12、止电压小)时,BMS控制均衡电路开始工作,控制这些容量满的电池少充，不充甚至是转移能量，以达到在整个电池组的容量小的电池继续充电并且容量满电池不损坏的目的。充电均衡的功能是防止电池组内的电池过充电，部分结构在放电使用中，可能会带来的某些负面影响。由于充电均衡仅仅保证了电池在充电中，容量最小的电池不过充，在放电过程中，它能释放的能量也是最小的，因此这些电池过度放电的可能性很大。如果BMS控制不好的情况下，这些容量小的电池已经处于深度放电条件下，电池组的整体仍蕴含较高的能量(表现在电池组电压较高)。往往充电均衡需要与放电均衡一起使用。2.放电均衡在电池组输出功率时,通过补充电能限制容量低的电池放电
13、，使得它单体电压不低于预设值(一般要比放电终止电压高一点)。补充一下：预设值是很难设计的，与不同的电池种类有很大的关系。两个重要参数充电截止电压和放电终止电压，均和电池温度，充放电流很关。3. 动态均衡：工作与电池充电状态,放电状态态,还是浮置状态(idle),可通过能量转换的方法实现组中单体电压的平衡,实时保持相近的荷电程度。 事实上，关于idle状态的转化可能引起额外的能量消耗，因此需要谨慎评估，不能把电池自己的能量转来转去，最后都变成热量消耗掉了，这是工程师最忌讳的均衡完美主义。打个比喻是，削甘蔗，为了保持每段的均匀，不断把长的削断，最后把所有的甘蔗都削没了。事实上，这从BMS的控制阶段
14、上划分方法。从拓扑上分：断流(disconnection circuit):这是人们首先想到的最简单的办法，当单体电压在满足一定条件时，把单体电池的回路断开,并使用另一个开关进行旁路。对于电池组而言就需要组合成开关矩阵,动态改变电池组内单体之间的连接结构,可使用的是继电器,智能功率开关。由于电流的实际大小很大，使得这种方法对于开关的要求很高，从实际应用来看是最不现实的。本身这种方法也存在很多的局限性，它并没有初始阶段去控制这种不平衡性。分流(Shuntingmethod)和能耗型(Dissipative Method)，事实上应用了类似的结构，从本质上分流是属于能耗型的一部分。分流是给每只电池
15、添加一个额外的旁路补偿装置,通过外部电阻的特性来补偿电池的特性。 能耗性也是为单体电池提供并联电流支路,将电压过高的单体电池通过分流转移电能达到均衡目的。它们的实质是通过能量消耗的办法限制单体电池出现过高或过低的端电压，这是成本最低的可行的办法，需要考虑的问题同样是电阻的散热功率，电池组的能量损耗，开关的过流能力。主动均衡方法也成为回馈(ACTIVE CELL BALANCING METHODS)通过能量变换器将单体之间的偏差能量馈送回电池组或组中某些单体。在这个方面有着各种的方法，使用电容，电感和变压器等器件进行能量的转移，这里将单独进行详细的分析和阐述。有些文章里面也会划分为单向和双向，集中和分散，其实区别不大。总体而言，主动均衡方法在成本和效果上有着很大的文章和协调空间，在器件的筛选上对设计者也提出了很高的要求，在下图里面其实就是设计 DC/Dc电源了。
