淺談?dòng)性措姵仄胶饧夹g(shù)增加大型鋰離子電池組供電能力

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)存儲和提供能量。我們想盡可能多地向（從）電池組存儲和獲取能量。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（請參見圖1C）（過壓）。
　　
　　圖1：電池不平衡對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。