電池不平衡且稍微擴(kuò)大對(duì)電池容量不匹配的影響

在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)文章“電池管理系統(tǒng)的主動(dòng)和被動(dòng)平衡”中，Stefano Zanella描述了多電池系統(tǒng)是如何失去平衡的。在這篇文章中，我想探討若電池不平衡且稍微擴(kuò)大對(duì)電池容量不匹配的影響時(shí)，電池將如何變得不可用。我將專(zhuān)注于汽車(chē)鋰離子（Li-ion）電池，但一般來(lái)說(shuō)這些原則適用于所有電池。

多單元電池通常構(gòu)建為串聯(lián)或并聯(lián)電池陣列。串聯(lián)電池過(guò)多將導(dǎo)致較高的電池組電壓，而并聯(lián)電池過(guò)多將導(dǎo)致較高的總電池容量（表示為安培小時(shí)額定值或Ahrs）。然后電池容量將指示并行電池?cái)?shù)量，將等于并聯(lián)電池?cái)?shù)量的電池容量乘以系統(tǒng)運(yùn)行所需的電池容量。根據(jù)電池類(lèi)型，汽車(chē)傾向于使用96個(gè)串聯(lián)鋰離子電池和24個(gè)并聯(lián)電池。例如，行駛100英里范圍的電動(dòng)車(chē)輛將需要20-30kWh的電池，這取決于車(chē)輛的重量、預(yù)期使用模式和車(chē)輛中的各種系統(tǒng)效率。系統(tǒng)的幾個(gè)方面將決定電池組電壓，包括電動(dòng)機(jī)的總體尺寸和類(lèi)型、電纜尺寸和隔離要求。

多單元電池通過(guò)向堆疊頂部的電池的正極端子提供電流來(lái)充電。（假設(shè)電池包括n個(gè)串聯(lián)電池）。換句話(huà)說(shuō)，電池單元不單獨(dú)充電。若您閱讀Stefano的文章，您將了解在充電結(jié)束時(shí)，每個(gè)單元格中剩余的電量是不同的；并且當(dāng)您反復(fù)對(duì)電池充放電（在沒(méi)有平衡的情況下）時(shí)，這種差異會(huì)增加。

若您將圖1中的兩個(gè)電池聯(lián)想為相同的充電容器，那么駕駛電動(dòng)車(chē)輛將導(dǎo)致從電池提取能量，這將耗盡這些容器。電動(dòng)車(chē)輛的充電將電荷注入電池，從而填充那些容器。并非所有電池都彼此相同，它們也會(huì)不均勻；因此，較弱的電池將以稍微不同的速率充放電。每個(gè)電池的電壓電平將分別隨著電池的充電和放電而緩慢上升和下降。

讓我們從一個(gè)完整的電池講起。包含在電池中的所有能量（可用能量）可為汽車(chē)提供動(dòng)力。為了不使電池過(guò)度放電（因?yàn)檫^(guò)度放電會(huì)降低電池壽命并且可能影響安全性），當(dāng)首個(gè)電池達(dá)到欠電壓閾值（加上通常取決于保護(hù)器的安全裕度）時(shí)，必須停止放電。為了不對(duì)鋰離子電池過(guò)充電，當(dāng)首個(gè)電池達(dá)到過(guò)電壓閾值時(shí)，必須停止充電。然而，滯后的電池尚未完全充電，在電池中會(huì)留下一些不能用于驅(qū)動(dòng)的電量，因?yàn)楫?dāng)首個(gè)電池充滿(mǎn)時(shí)，必須再次停止充電。

換句話(huà)說(shuō)，在首次充電/放電循環(huán)之后，一些能量在電池組中滯留。它永遠(yuǎn)不能用于為汽車(chē)供電。

隨著電池充放電反復(fù)進(jìn)行，滯留的電量增加，從而降低可用電量。此外，可用電量的損失是滯留電量的兩倍，因?yàn)闇綦娏坎豢捎?，并且等效電量不能注入到另一個(gè)電池中。

進(jìn)行足夠的充放電循環(huán)之后，可用能量開(kāi)始接近零。您如何避免這個(gè)問(wèn)題呢？平衡！您可通過(guò)將多余電量耗散到電阻上來(lái)實(shí)現(xiàn)電池平衡，從而重新獲得將電池充滿(mǎn)電并達(dá)到完全充電的能力。

只要所有電池具有相同容量，在每次充電循環(huán)結(jié)束時(shí)就無(wú)需完全平衡——因?yàn)殡姾刹黄胶獾挠绊懯峭耆赡娴?。我已觀(guān)察到電池電子部件開(kāi)發(fā)期間的一個(gè)案例，其中電池的無(wú)源平衡部分在經(jīng)歷多次充電/放電循環(huán)之后才被實(shí)現(xiàn)。當(dāng)平衡系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒時(shí)，可用電量降幅超過(guò)25％。然而，在平衡所有電池之后，電池組通過(guò)最少的可用能量損失即可完全充滿(mǎn)。

您應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用和熱學(xué)考慮選擇平衡電流的量。例如，在24kWh系統(tǒng)（96個(gè)電池串聯(lián)）中，假設(shè)電池在其壽命結(jié)束時(shí)具有小于1％的充電時(shí)間差（充電時(shí)間的差異隨時(shí)間增加），則66Ah系統(tǒng)將需要補(bǔ)償660mAh。憑借200mA的平衡電流，您可在3.3小時(shí)內(nèi)平衡該系統(tǒng)，但是需要兩倍的時(shí)間來(lái)平衡100mA電流。

表1：特定應(yīng)用的監(jiān)視和保護(hù)設(shè)備

若您想開(kāi)始平衡電池單元，表1的監(jiān)測(cè)和保護(hù)設(shè)備可完美匹配您的應(yīng)用程序。若您的應(yīng)用程序未包含在此表中，或者您對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)有疑問(wèn)，請(qǐng)加入德州儀器在線(xiàn)支持社區(qū)，尋找解決方案，獲得幫助，并與TI電池專(zhuān)家分享知識(shí)和解決難題。

審核編輯：何安淇