鋰離子電池組均衡和保護(hù)的關(guān)系研究
均衡電路
均衡的意義就是利用電子技術(shù),使鋰離子電池單體電壓偏差保持在預(yù)期的范圍內(nèi),從而保證每個(gè)單體電池在正常的使用時(shí)不發(fā)生損壞。若不進(jìn)行均衡控制,隨著充放電循環(huán)的增加,各單體電池電壓逐漸分化,使用壽命將大大縮減。
一般情況下,充電時(shí)鋰離子電池單體電壓的偏差在50mV范圍是完全可以接受的。造成單體電池電壓偏差的主要原因一方面是單體電池存在差異,另一方面測量的電子電路消耗所造成的。
均衡的方法有很多種,譬如開關(guān)電容均衡法,降壓型變換器法,平均電壓均衡法,在這里就不一一贅述。本文采用的是平均電壓均衡法,原理框圖見圖1,圖中只給出了一只單體電池的均衡電路,其它各單體電池也配備相同的均衡電路,其中放大器由單體電池供電。
這種均衡控制電路的思路是:單體電池電壓與平均單體電池電壓相比較,控制功率開關(guān)將電池電壓高于平均電壓的單體電池分流。因此,所有單體電池電壓在均衡電路的作用下趨向平均電池電壓。
此電路初看起來是開環(huán)控制,實(shí)際上由于電池內(nèi)阻的作用,均衡電路工作在具有負(fù)反饋特性的閉環(huán)狀態(tài)。為了防止均衡電路在電池組放電時(shí)工作,可以在功率開關(guān)下端串聯(lián)穩(wěn)壓二極管,這樣在電池放電時(shí),電池電壓較低而失去分流回路。
保護(hù)和均衡的關(guān)系
設(shè)每節(jié)電池的當(dāng)前電壓為Vbati(i=1-7),最大電壓為Vmaxi(i=l-7),最小電壓為Vmini(i=1-7),總當(dāng)前電壓為Vall,總最大電壓為Vmax,總最小電壓為Vmin。則有:
總體電壓與變化最大的單體電壓密切相關(guān)。所以,我們的重點(diǎn)就放在處理電壓變化率大的電池上,選擇七節(jié)相對匹配度高的電池,使所有電池的變化趨于一致,盡可能避免因?yàn)槟彻?jié)電池的電壓變化率太大造成的整體失調(diào)問題。
均衡的作用是滿足(4)式,并且用它來控制分流,以達(dá)到最終所有電池都充滿的這一理想狀態(tài)。保護(hù)的作用是滿足(2)(3)式,對單節(jié)電池的最大電壓和最小電壓進(jìn)行控制,以達(dá)到總體電池電壓的安全范圍。為了凸現(xiàn)保護(hù)和均衡各自的作用,本文采用了獨(dú)立自由元分析法。
僅有保護(hù)的情況
由于電池組內(nèi)單體電池間的差異,在串聯(lián)充放電時(shí)特性會有所不同,所以需要保護(hù)。有了保護(hù),使用的安全性才有保障。
但同時(shí)引入了一個(gè)新問題:總體電壓不能反映單節(jié)電池的電壓。假設(shè)總體電壓Vall為28.0V,過充電保護(hù)檢測電壓Vmaxi(i=1-7為4.2V,并且有3節(jié)已經(jīng)處于充電保護(hù)狀態(tài);這時(shí)由(1)式,可以很容易計(jì)算出剩下的4節(jié)電池平均電壓為3.85V,還可以繼續(xù)充電,所以就不能以28.0V作為標(biāo)志來從總體上終止充電。進(jìn)一步分析,29.4V也不能作為標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橐?9.4V作為標(biāo)準(zhǔn)意味著7節(jié)電池都處于充電保護(hù)狀態(tài),一旦某一節(jié)到不了4.2V,就會形成死循環(huán)。綜上可知,充電的終止標(biāo)志無法明確給出,應(yīng)該比29.4V小,下限由正常工作的電壓決定。
在本文里,采用了MM1414的方法[1],對七節(jié)電池進(jìn)行了保護(hù)(見圖2)。
采用圖2的保護(hù)電路,得到的測試結(jié)果示于表1。
僅有均衡的情況
均衡的作用是使各單體電池的當(dāng)前電壓趨干一致[2]。實(shí)現(xiàn)了均衡,總體電壓就可以作為一個(gè)終止充電的標(biāo)志。均衡在這里是電壓均衡,其實(shí)電壓并不能線性反映電池容量的變化,所以這樣的均衡最終只是實(shí)現(xiàn)了所有電池電壓的接近一致性,而不是電池容量的一致性。另一方面,即使容量相同,其充放電特性也不會完全一致,這也會造成均衡的不協(xié)調(diào)性。
在本文里,采用平均電壓均衡法,對七節(jié)電池進(jìn)行處理,如圖3。
采用圖3的電路,得到的測試結(jié)果見表2。
既有保護(hù)又有均衡的分析
經(jīng)過上面的分析,對于鋰離子電池組,均衡和保護(hù)都是必要的。所以,在本文里最后把保護(hù)和均衡同時(shí)做到一個(gè)電路里,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,是比較理想的。
一方面,均衡基本上可以使個(gè)單體電池的電壓趨于一致,不存在某一單體電壓太高或太低的情況;另一方面,保護(hù)使得電池組整體系統(tǒng)更可靠,更安全。
結(jié)語
本文著重分析了鋰離子電池組的均衡和保護(hù)的關(guān)系,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,均衡和保護(hù)都有其相應(yīng)的作用,只有加以合理的應(yīng)用,才可能在總體上達(dá)到一個(gè)比較好的效果。
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