實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的電池平衡

鋰離子電池最早出現(xiàn)于1991年并成為許多應(yīng)用領(lǐng)域的首選技術(shù)，這些領(lǐng)域包括衛(wèi)星、地面車輛以及模型飛機(jī)，另外還有筆記本電腦和手機(jī)。這主要?dú)w功于鋰離子電池突出的能量密度，也就是所儲(chǔ)存能量和重量的比值。

電壓降
鋰離子電池被設(shè)計(jì)用來提供大約 3.0～＋4.3V的電壓。始終保持鋰離子電池的電壓在其設(shè)計(jì)界限之內(nèi)非常重要，否則電池會(huì)遭受不可修復(fù)的損壞。如果電池的電壓降到3.0V以下，其將進(jìn)入深放電狀態(tài)，一旦進(jìn)入這種狀態(tài)，就需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天才能恢復(fù)。

實(shí)際上，深放電可能會(huì)造成電池短路，而電池一旦短路就無法恢復(fù)。過充電使電壓高于4.3V可能會(huì)更糟糕，因?yàn)檫@樣做會(huì)破壞電池，造成過熱或其他災(zāi)難性的后果。在只使用1塊鋰離子電池的簡(jiǎn)單應(yīng)用中，電子控制電路必須保護(hù)電池，當(dāng)電池電壓降低到3.2V以下就斷開負(fù)載，并在充電時(shí)保證電壓低于4.2V。

鋰離子電池結(jié)構(gòu)
鋰離子電池是由2個(gè)或更多個(gè)電池串聯(lián)構(gòu)成的。在這種結(jié)構(gòu)中，電池電壓等于單個(gè)電池電壓之和。例如，96V的電池是通過將24塊鋰離子電池串聯(lián)得到的。加上負(fù)載之后，負(fù)載的電流是由串聯(lián)的24塊電池共同提供。如果對(duì)電池進(jìn)行充電，充電器需要向串聯(lián)的電池組提供充電電流。在這兩種情況下，所有電池的放電和充電電流是相同的。

在整個(gè)生命周期內(nèi)，電池可能會(huì)進(jìn)行數(shù)百次甚至數(shù)千次的充放電。此時(shí)，各個(gè)電池的老化可能會(huì)有所不同。有些電池會(huì)變得與其他電池有些失配（或者更嚴(yán)重一些）。如果這種現(xiàn)象沒有得到改善，一個(gè)或多個(gè)電池可能會(huì)欠充電或過充電，這兩種現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致電池失效。

平衡
改善這種狀況的方法被稱為平衡。平衡是強(qiáng)制所有電池具有相同電壓的過程。這是通過平衡電路實(shí)現(xiàn)的。
Aeroflex平衡電路使用共享總線，這個(gè)總線的電壓等于所有電池的平均電壓。平衡電路由那些超過共享總線電壓的電池充電并將電能注入到電壓較低的電池，這個(gè)工作是通過高效率的雙邊DC/AC轉(zhuǎn)換器來完成的。
平衡電流的大小與電壓差成正比，也就是說，隨著電池越來越接近理想平衡狀態(tài)，平衡電流將趨近于0。圖1顯示了一個(gè)用于5個(gè)電池的平衡電路，其中，1Ω電阻確定了傳輸比，也就是不平衡電壓與平衡電流的比值。

圖1 使用串行共享總線實(shí)現(xiàn)的5電池的平衡電路

對(duì)于容量較大（通常20Ah或更高）的電池而言，為了將達(dá)到平衡的時(shí)間減到最短，需要高達(dá)1A的平衡電流。對(duì)這些應(yīng)用而言，雙邊DC/AC轉(zhuǎn)換器電路通過平面變壓器工作在100kHz的頻率附近。

電池電子單元
每個(gè)電路都是帶有諧振復(fù)位信號(hào)的前向轉(zhuǎn)換器，而開關(guān)頻率是由鎖相環(huán)控制的，以便提供精確的低損耗開關(guān)和高效率。圖2顯示了使用這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的面向24 cell鋰離子電池衛(wèi)星應(yīng)用的電池電子單元（BEU）。這個(gè)BEU也提供了單個(gè)電池的電壓監(jiān)控功能，單個(gè)電池電壓的精度為10mV，這個(gè)數(shù)據(jù)是使用12位A/D和串行數(shù)據(jù)遙測(cè)技術(shù)測(cè)得的。

圖2 面向帶有2 cell電池應(yīng)用的雙冗余BEU

對(duì)于較小的電池而言，使用平衡電流較小但是傳輸率比較高的電路比較合適。圖3顯示了一個(gè)小電流電池平衡器，Aeroflex的8645-13模塊。這是個(gè)6英寸×2.3英寸的電路卡，用于平衡13個(gè)電池。這個(gè)電池平衡器嵌入在電池封裝內(nèi)部，不提供監(jiān)視功能。

圖3 用于13 cell電池的小電流平衡器

平衡的優(yōu)勢(shì)
通過使用電池平衡，系統(tǒng)工程師能夠根據(jù)應(yīng)用選擇容量更大的電池，這是因?yàn)槠胶饽軌蚴闺姵貙?shí)現(xiàn)更高的荷電狀態(tài)（SOC）。如果不使用電池平衡功能，保守的設(shè)計(jì)無法讓SOC接近100%。

這些電池是串聯(lián)在一起的，所有電池的充電電流都相等。充電器監(jiān)視總電池電壓并繼續(xù)充電，直到達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電壓，通常是每個(gè)電池4.2V。

例如，10 cell電池可能要充電到42V才能達(dá)到100%的SOC。如果電池之間沒有平衡，就無法保證每個(gè)電池電壓都精確地等于4.2V。例如，可能其中某個(gè)電池被充電到4.4V，有可能變?yōu)檫^充電狀態(tài)或被損壞。因此，沒有采取平衡措施的電池的SOC必須遠(yuǎn)低于100%，以便確保不會(huì)存在一個(gè)或多個(gè)電池過充電。

另一方面，在采取了正確平衡措施的電池中，所有電池的電壓都非常接近于電池的平均電壓，就有可能通過測(cè)量電池總電壓的充電電路將電池的SOC充電至接近100%。

因此，在沒有電池平衡的應(yīng)用中，電池的SOC通常在20%～80%的范圍中，利用率只有60%。如果增加了平衡措施，SOC范圍可能是5%～95%，利用率增加到了90%。因此，電池平衡系統(tǒng)使得實(shí)現(xiàn)相同輸出容量的電池體積減小很多。這樣可以大大減少總體重量，即使將平衡器的重量計(jì)算在內(nèi)也很劃算。