谈多节串联后的锂电池容量均衡和在线测量

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谈多节串联后的锂电池容量均衡和在线测量 [复制链接]

对锂电池的应用，随着性价比的逐步提高和对绿色能源的新认识，越发显示出它的强大生命力。应用范围越来越大。目前在向高电压（几十节以上电源串联）和大容量应用方面发展。因此，在技术上也提出了新的要求。如：多节锂电池串联后的容量均衡问题、在线测量和集中管理等问题。本文就上述问题在实际中的应用，相应技术措施。供大家参考。

多节锂电池在串联后产生容量不均衡的原因

         锂离子材料的化学属性本身并不会造成电池容量不均衡问题，大部分电池在工厂生产过程中，经过处理后也不会引起电池不均衡问题。
产生电池容量不均衡的有：
        1 锂离子电池的自放电；2 软短路（soft short）；3 容量退化；4 使用过程中电池受热不均衡引起的性能差异；5在充/放电时，电池内阻在大小电流变化时，会产生差异；6不同批次的电池放在一起使用；7电池之间容量的差异等；8其他因素。等等。
这些因细小的不均，而引起的不平衡，随着时间的推移，使用次数的日积月累，会增大这种不平衡。应此，不平衡是一种不可避免的“正常”现象。
        这种不平衡，在多节串联中（串联越多，情况越严重）的危害极大。比如：多节锂电池在串联的情况下放电时，其中容量最小的电池，达到关断电压时，整个电池包会全部停止供电。（充电时情况正相反）即百分之九十九被百分之一决定。这种情况在充电时，因容量大的先到保护而中断充电。而容量小的因无法充足，下次使用时放电更少，使总的容量降低。长期以往，容量最小的会在恶性循环中，比其他的电池性能衰退更快。经过多个充/放电周期后，将加速电池的损耗。这样，串联越多情况越严重，电池包的使用寿命越短。所以，保持串联中电池的容量均衡，是对放电质量和使用寿命起着关键性的作用。这种情况在其他种类的电池串联中，也得到了验证。

 

电池串联中的平衡原理

        如果所有的电池容量相同，或者开路电压（OCV）都一致时，我们就以为达到了平衡（均衡点）。目前，让电池的均衡有两种方法：放电均衡和充电均衡，放电均衡是在电池工作中，消耗掉没有利用的功率。使电压高的向电压低的看齐。以先求平衡，后再充电。这种方法从能源利用的角度来说，是一种浪费，同时散热问题也不可小视。
        另一种方法是在充电时加以平衡。这种方法效果好，能源利用率高，本文着重阐述这方面的原理和技术手段。

充放电均衡原理如下图所示
:
        如有E1-E4电池。在充电前期，如果E1的容量（实际测的是电压值）高于E2，即：E1〉E2。经过测量和CPU的计算，得到电压差值后，打开E1上的并联分流电阻。分流部分电流，使E1充电时间变长，直至E1=E2时，关闭分流电阻。其他几个电池平衡原理也一样，直到全部电池都平衡为止。

平衡式充电技术采取的主要措施有：

1、需要有精确的稳压电路。
2、读取各种数据供给CPU，其中电流测量还应有采样放大器和A/D转换器。
3、需有平衡电路控制和EFT驱动电路。
4、有锂电池所应有的各种保护，并且保护值可以设定。
5、为测量的准确性，需要采样高效的差分电路。并通过正/反向两次测量，滤除电路 的误差影响。
6、为了消除充电时电流在E1-E4上产生测量误差。测量应是周期性的，并在充电间隙进行，以求准确。 应当说明平衡充电法对充电器是有一定要求的。
7、测量后的数据还应有相应的计算方法， 如：排队计算法，平均计算法等平衡计算方法。
8、相应的硬件控制电路。FET驱动电路和分流电路组成。
        以上所列，都应有一个中央CPU集中管理和一套相应的软件来实现。电池包经过平衡后，能源的利用率得到提高，放电可靠性和使用时间得到保障。并大大延长了电池的使用寿命。

关于多节电池串联后的在线测量和综合管理

        在线测量的应用。电池在串联中尤其是多节（几十节到上百节）的串联，难免有一些电池因性能变化或者损坏，使电池包供电不良或停止工作。因此，在线测量和检查，能安全快速的把电池包中每一节电池工作情况，用图表和数据显示出来。通过储存在电脑中原先的数据资料，进行比对和处理。及时更换不理想的电池单元，保证使用时可靠放电。
        另外电池在静态时的电气性能，与有负载时的情况，又有不同。一些如接触不良的故障，只有在有负载的情况下，才能反映的出来。这就必须要在在线测量时才检查得出来。
        在线测量，可以通过有线或者无线方式进行远距离监控操作。在线测量，还可以随时更改各种数据，重设保护值等，还可以储存电池信息。它是电源管理中不可缺少的一环。在几十甚至上百节串联中的电池包，这种管理方法是必不可少的。

综合电源管理问题

        一个好的电源管理器，其本身就是一个智能化的系统，除了有以上介绍的平衡充电功能，在线测量功能外，为了适应智能电池系统的接口协议、微控制器应是可以编程的，以提供各种使用场合的需要，和提供SM bus接口（总线协议）SB data （数据协议）接口。以便达到最新工业电池组的标准。另外电源管理器还要求结构简单、性能可靠、功能完善、保护全面，同时自身耗电要小，等要求。
        还须说明一下的是：电源管理并不是充电器，它可以有充电器的一些功能，但不能取代“充电器”。同时还需要有相应的电源来适合平衡充电的需要。
        电源管理是个系统工程，它参于管理的目标又各不相同，所以不能一概而论。
就多节串联后的电池来说，平衡充电是必不可少的。它能给绿色能源的锂电池，为大电流.高电压的电动单车和电动汽车推广 应用，有了技术上个可靠保证。
        目前，这种新一代的锂电池电源管理器，已经研制成功，并投入生产。新型的电源管理器，已能可靠的把几十节电池串联组成一个智能系统，应用于各个方面。

 

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