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鋰離子電池自放電和SOC 匹配方法

鋰離子電池材料的化學屬性本身并不會造成電池不均衡問題,也不具有可逆自放電機理。但是,鋰離子電池還必須經過一個過程才能使性能穩定,并將產生不可逆損耗,多數此類損耗都出現在電池出廠之前。高溫放電以及在室溫下放置過久也會出現少量此類不可逆損耗,這種損耗的最大比例在10%以內。所有同時入庫或同時使用的電池發生這種損耗的機率一樣,因此這種情況不會引起電池不均衡問題。在出現不可逆損耗時還伴隨著少量可逆損耗,二者之間存在著某種比例關系。大部分在工廠中出現的可逆損耗在進行電池容量分類前已經被再次充電,因此這類損耗非常小,而且每個電池都一樣,不會引起電池不均衡問題。

引起電池不均衡的另一個原因是電池在裝配前被閑置過久,而如果將若干批生產時間不同的電池放到同一個電池包中將會加重這種不均衡。在這種情況下,通過容量分類但尚未裝配的具有不同可逆損耗的電池將隨著時間的推移累計更大的差異。即使在裝配成電池包后,如果包中的電池變化很大(尤其是當電池包放置過久),隨著時間推移,電池包內的電池不均衡也會加重。

軟短路

軟短路(soft short是引起某些電池不均衡的主要原因。在電池生產時的細微瑕疵可能使電池出現40KQ以上的短路電阻,由這種高阻抗引起的自放電速率可達0.1mA或每月3%。一些出廠時合格的電池也可能產生軟短路問題,但多數電池不會出現這種情況,因而可將容量保持若干年。嚴格來說,軟短路是一種機電變化,如果電池包僅由單個電池構成,那么這個電池可以反復充電而不會出現容量損耗。然而,在串聯電池包中出現軟短路的電池每月會損耗3%的容量,而其它電池則毫無損耗。

電池包中電池的SOC不一樣時會降低總容量。在未出現相應的容量降低之前,電池包使用時需要進行一次調整,入庫保存后再經常不定期調整,這樣便可恢復最初的容量損耗。同時,在每次充電過程中只需要進行較為簡單的均衡,以避免重新產生失配。這些連續調整通常用戶是根本不能覺察到。初次使用后,以后的放電過程便不再需要均衡處理。

 

例如,假設一個電池包中有兩個串聯電池C1和C2,C1每個月放電3%,三個月后起SOC值從40%下降到31%。C2沒有軟短路,因此SOC保持為40%。充電時,C2的SOC恢復到100%,而C1只能恢復到91%。放電時,C1的SOC到達0%時C2還剩余9%。因此電池包產生了9%的損耗。

如果對C1施加一個差分電流進行均衡,則兩個電池以及整個電池包都將恢復滿容量。C1的損耗沒有使電池包的容量降低,如圖1a和1b所示。

電池容量退化

容量退化是由于生產或工藝差異而導致的電池容量降低,通常在生產過程中出現這種情況的可能性極小。此外,同批生產的電池性能通常一樣,因此,大多數電池包中的電池不會出現不均衡問題。然而,電池可能會偶然出現很小的缺陷,如果在這種情況下電池包工作的溫度變化較大,那么某些電池就會比其它電池性能降低得更快。例如,用于電腦的電池包的面積很大,因此電池包的某部分會靠近電源或CPU,這部分電池比其它電池受熱更多。此類問題可通過電池均衡來彌補,這種均衡處理必須在充電和放電過程中實現,該過程稱為容量/能量最大化。然而,這在實際應用中很難實現,同時不夠直觀,容量/能量最大化問題還有待進一步深入研究。保持電池均衡

監測電池的電壓和溫度可追蹤電池的電壓變化,當電池電壓變化超過10mV時,電路便啟動均衡處理來對電池包中不同的電池電壓進行匹配。

這種均衡是通過“分流”需要均衡的電池(電壓最高的電池)電流來實現的。通常,將一個功率晶體管和限流電阻串聯后,再與電池包中的每個電池并聯來控制均衡過程。在充電過程中導通功率晶體管,將該電池的電流部分分流,從而使它的充電速度比其它電池慢。在放電過程中導通功率晶體管,增加該電池的有效負載,使它的放電速度比其它電池快,從而在充/放電模式下對電池進行均衡。

外部晶體管的功耗

均衡電路設計時必須注意功率晶體管和限流電阻的選擇,以使電流保持在合理的范圍內。如果均衡電流過高,功耗會很大,引起電池包升溫或增加元件負擔;相反,如果均衡電流過低,就需要較長的時間或多個周期才能起到均衡作用,從而降低電池均衡效率,甚至失去意義。

在決定電流大小時要注意不均衡程度、可用時間以及電池容量三項:

1.將合理的電池均衡量定為10-20%的電池容量。對于軟短路情況,這相當于以每月3%的放電速率持續3-6個月;對于周期時間不均衡,這相當于100個周期的16%容量損耗。

2.電池均衡所需的合理時間可短至僅1個充/放電周期。SOC不均衡需要較長的時間,最多可達18個小時(這18個小時并非完全用于充電,而是一個至少包括一次充、放電的調整過程。也可能是多個充/放電周期)。容量不均衡通常需要充電1小時,并且至少放電2.5小時。

3.18650具有最高的容量,為2,000mAh,通常最多采用3個電池并聯。因此,修正20%容量不均衡所需的最大均衡電流為IBALANCE=(20%×2000mAh×3)/1.0hr=1200mA為了實現這一程度的均衡,電池包的調整必須經過較長時間。假設充電時間為1小時,放電時間為3小時,則經過兩個充/放電周期便可獲得8小時的均衡處理,這要求均衡電流為150mA,這個電流相當高。例如,如果電池為4V,均衡電源為150mA時的功耗可達0.6W。最好的折衷方法是將電池均衡電流控制在50mA-150mA之間,同時將初始均衡持續多個周期。

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