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有源电池平衡技术帮助增加大型锂离子电池组供电能力

作者:时间:2012-05-26来源:网络收藏

解决方案:电池平衡技术

由于对能量供给的影响,以及串联电池应用中存在锂离子电池过充电的危险性,必须使用电池平衡技术来对失衡进行校正。共有两类电池平衡技术:无源电池平衡技术和有源电池平衡技术。

无源电池平衡技术

被称为“电阻泄漏”平衡的无源电池平衡方法使用一条简单的电池放电路径,在所有电池电压相等以前一直为高压电池放电。除其他电池管理功能以外,许多器件都具有电池平衡功能。

诸如bq77PL900等锂离子电池组保护器主要用于许多无绳电池供电设备、助力自行车和轻便摩托车、不间断电源以及医疗设备。其电路主要起到一个独立电池保护系统的作用,使用5~10节串联电池。除通过I2C端口控制的许多电池管理功能以外,还可将电池电压同可编程阈值对比以便决定是否需要进行电池平衡。如果任何特定电池达到该阈值,则充电停止,并激活一条内部旁路。当高压电池降至恢复极限值时,电池平衡停止,而继续充电。

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图3

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图4

电池平衡算法只使用电压发散作为平衡标准,具有过平衡(或欠平衡)的缺点,这是由于存在阻抗失衡影响(请参见图3和图4)。问题是,电池阻抗还会在充电期间引起电压差异(VDiff_Start和VDiff_End)。简单的电压电池平衡并未区分是电量失衡还是阻抗失衡。因此,这种平衡不能保证完全充电后所有电池均获得100%的电量。

一种解决方案是使用电池电量监测计,例如:bq2084等。它们都拥有改进的电压平衡技术。由于电池间的阻抗差异会误导算法,因此它只在充电周期末端附近进行平衡。这种方法最小化了阻抗差异的影响,这是因为当充电电流逐渐减弱至终止阈值时IRBAT压降也变得更小。另外,这种IC还使平衡判断基于所有电池电压,所以它是一种更加高效的实施方法。尽管有了许多改进,但是单独依靠电压电平的这种需求将平衡操作限制在高充电状态(SOC)区域,并且仅在充电时工作。

另一个例子是bq20zxx电池电量监测计产品系列,其使用阻抗追踪平衡方法。这种电量计不再尝试最小化电压差异错误的影响,而是计算每节电池达到完全充电状态所需要的电荷 (QNEED),见图5。这种平衡算法,在充电期间开启电池平衡FET,以提供要求的QNEED。这类电池电量监测计可轻松地实施基于QNEED的电池平衡方案,这是由于总电量和SOC在监测功能中均较稳定地处于可用状态。因为电池平衡并未让电池阻抗差异失真,所以它可以独立于电池充电、放电甚至闲置状态工作。更为重要的是,它获得了最佳的平衡精度。

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图5:基于QNEED的电池平衡。

由于使用集成FET解决方案的无源电池平衡技术的平衡能力有限,因此电池差异或失衡率可能超过电池平衡。另外,由于存在低旁路电流,它可能会占用几个周期来对一般失衡进行校正。利用现有组件设计一些外部旁路电路可以增强电池平衡(请参见图6和图7)。在图6中,当决定对某节电池进行平衡时内部平衡MOSFET首先开启。这便形成一条低电流通路,其通过连接电池端(电池1和电池2)及IC引脚的外部滤波器电阻。当内部FET栅-源电压在电阻中形成,该外部MOSFET便被开启。其缺点是,邻近电池无法快速、同时获得平衡。例如,如果邻近内部FET被开启,则Q2不能被开启,因为没有通过R2的电流。

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