实现锂离子电池的电池平衡

2011-05-29 16:18:40来源: 互联网

锂离子电池最早出现于1991年并成为许多应用领域的首选技术,这些领域包括卫星、地面车辆以及模型飞机,另外还有笔记本电脑和手机。这主要归功于锂离子电池突出的能量密度,也就是所储存能量和重量的比值。

电压降
锂离子电池被设计用来提供大约 3.0~+4.3V的电压。始终保持锂离子电池的电压在其设计界限之内非常重要,否则电池会遭受不可修复的损坏。如果电池的电压降到3.0V以下,其将进入深放电状态,一旦进入这种状态,就需要数小时甚至数天才能恢复。


实际上,深放电可能会造成电池短路,而电池一旦短路就无法恢复。过充电使电压高于4.3V可能会更糟糕,因为这样做会破坏电池,造成过热或其他灾难性的后果。在只使用1块锂离子电池的简单应用中,电子控制电路必须保护电池,当电池电压降低到3.2V以下就断开负载,并在充电时保证电压低于4.2V。

锂离子电池结构
锂离子电池是由2个或更多个电池串联构成的。在这种结构中,电池电压等于单个电池电压之和。例如,96V的电池是通过将24块锂离子电池串联得到的。加上负载之后,负载的电流是由串联的24块电池共同提供。如果对电池进行充电,充电器需要向串联的电池组提供充电电流。在这两种情况下,所有电池的放电和充电电流是相同的。


在整个生命周期内,电池可能会进行数百次甚至数千次的充放电。此时,各个电池的老化可能会有所不同。有些电池会变得与其他电池有些失配(或者更严重一些)。如果这种现象没有得到改善,一个或多个电池可能会欠充电或过充电,这两种现象都会导致电池失效。

平衡
改善这种状况的方法被称为平衡。平衡是强制所有电池具有相同电压的过程。这是通过平衡电路实现的。
Aeroflex平衡电路使用共享总线,这个总线的电压等于所有电池的平均电压。平衡电路由那些超过共享总线电压的电池充电并将电能注入到电压较低的电池,这个工作是通过高效率的双边DC/AC转换器来完成的。
平衡电流的大小与电压差成正比,也就是说,随着电池越来越接近理想平衡状态,平衡电流将趋近于0。图1显示了一个用于5个电池的平衡电路,其中,1Ω电阻确定了传输比,也就是不平衡电压与平衡电流的比值。

图1 使用串行共享总线实现的5电池的平衡电路


对于容量较大(通常20Ah或更高)的电池而言,为了将达到平衡的时间减到最短,需要高达1A的平衡电流。对这些应用而言,双边DC/AC转换器电路通过平面变压器工作在100kHz的频率附近。

电池电子单元
每个电路都是带有谐振复位信号的前向转换器,而开关频率是由锁相环控制的,以便提供精确的低损耗开关和高效率。图2显示了使用这种电路拓扑结构实现的面向24 cell锂离子电池卫星应用的电池电子单元(BEU)。这个BEU也提供了单个电池的电压监控功能,单个电池电压的精度为10mV,这个数据是使用12位A/D和串行数据遥测技术测得的。

图2 面向带有2 cell电池应用的双冗余BEU


对于较小的电池而言,使用平衡电流较小但是传输率比较高的电路比较合适。图3显示了一个小电流电池平衡器,Aeroflex的8645-13模块。这是个6英寸×2.3英寸的电路卡,用于平衡13个电池。这个电池平衡器嵌入在电池封装内部,不提供监视功能。

图3 用于13 cell电池的小电流平衡器

平衡的优势
通过使用电池平衡,系统工程师能够根据应用选择容量更大的电池,这是因为平衡能够使电池实现更高的荷电状态(SOC)。如果不使用电池平衡功能,保守的设计无法让SOC接近100%。


这些电池是串联在一起的,所有电池的充电电流都相等。充电器监视总电池电压并继续充电,直到达到预先设定的电压,通常是每个电池4.2V。


例如,10 cell电池可能要充电到42V才能达到100%的SOC。如果电池之间没有平衡,就无法保证每个电池电压都精确地等于4.2V。例如,可能其中某个电池被充电到4.4V,有可能变为过充电状态或被损坏。因此,没有采取平衡措施的电池的SOC必须远低于100%,以便确保不会存在一个或多个电池过充电。


另一方面,在采取了正确平衡措施的电池中,所有电池的电压都非常接近于电池的平均电压,就有可能通过测量电池总电压的充电电路将电池的SOC充电至接近100%。


因此,在没有电池平衡的应用中,电池的SOC通常在20%~80%的范围中,利用率只有60%。如果增加了平衡措施,SOC范围可能是5%~95%,利用率增加到了90%。因此,电池平衡系统使得实现相同输出容量的电池体积减小很多。这样可以大大减少总体重量,即使将平衡器的重量计算在内也很划算。

关键字:锂离子

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0529/article_9332.html
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