磷酸鐵鋰離子電池的均衡保護技術

摘要：基于磷酸鐵鋰電池的充放電特性以及單體電池存在一定差異的這一實際情況，需要對電池組中各單體之間實現均衡控制，從而避免個別單體的過充、過放所導致的電池組失效，使其性能接近單體電－池的平均水平。本文描述了電池的均衡控制方法、電路設計和實現步驟，并對磷酸鐵鋰電池進行均衡充電試驗，結果表明該方法能有效的彌補電池的不一致性。

The technique to ensure the consistency of the batteries
with LiFePO4 cathodes
LI Ge-chen, LI Jin-lu, XU Yu-lin, JIN Gui-cai
(ZEEMOO Sci & Tech Co.,Ltd., Harbin Heilongjiang 150080, China)
Abstract: According to the charge/discharge properties of the batteries with LiFePO4 cathodes, there are differences between the cells. In order to avoid the invalidation of the batteries caused the over charge or over discharge of one of the cells, it is necessary to solely control the cell and ensure its performance very close to the average level of the battery. This paper reports the technique to ensure battery consistency, circuit design and its realization steps. The test results of the batteries with LiFePO4 cathodes indicate that the technique reported here effectively improved the battery consistency.
Keywords: LiFePO4；consistency；protection
鋰離子電池已廣泛用于便攜式電子產品、電動工具和電動車電源。而以磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子二次電池具有優異的熱穩定性和循環充放電性能，被業界稱為“最安全的鋰電池”，因此在近年來，磷酸鐵鋰電池備受國內外關注。磷酸鐵鋰具有穩定、安全、環保等氧化鈷鋰正極材料難以比擬的優點，完全可以應用到諸如電動汽車、低谷電力儲藏、風力與太陽能發電電能儲藏、應急于電力儲備和車用輔助電源等設備。
在應用過程中供電電源通常由多個單體電池串聯組成，以滿足設備所需電壓和功率要求。在實際使用中，由于單體電池之間的差異，電池組的容量只能達到最弱的電池的容量。在串聯電池組中，雖然通過單體電池的電流相同，但是由于其容量不同，電池的放電深度也會不同，容量大的總會欠充欠放，而容量小的總會過充過放，這就造成容量大的衰減緩慢、壽命延長；容量小的衰減加快、壽命縮短，兩者之間的差異會越來越大，最終小容量電池的失效會導致電池組的提前失效。
通常我們把因單體電池的性能差異而導致的電池組性能降低的現象稱為電池匹配失衡。大多數情況下，引起匹配失衡的原因是電池的制作工藝和檢測手段的不完善，而不是鋰離子電池本身的化學屬性變化。即使在生產出電池后進行檢測分類再進行組合，也會出現電池匹配失衡的現象。比如：各單體的自放電量不同導致電池組在擱置過程中的容量失衡、單體之間電阻不同導致個別單體在電池組充電過程中過充等。
電池匹配失衡主要表現在兩個方面：電池荷電狀態失衡（即：所有單體的容量相同，但在電池組制作或擱置過程中，單體的荷電狀態不同）和電池容量或能量的失衡。采用電池均衡處理技術便可解決以上兩種失衡問題，從而改進串聯電池組的電性能。電池荷電態失衡需在電池組初次充、放電時進行均衡調整電池,此后只需在充電期間進行均衡即可，而容量或能量失衡則必須在充、放電過程都進行均衡。
1 均衡保護原理
在理想狀態下，鋰離子電池組中的單體電池滿足以下條件，便認為實現了均衡保護管理：電池組中所有單體電池的容量和荷電狀態都相同；電池組中所有單體的容量不同，但單體電池的荷電狀態相同。其中電池的荷電狀態是指電池的現有容量與電池的實際容量之比。
從上可以看出：電池組均衡是指在電池組的使用過程中，保證各單體電池的荷電狀態相同。為了改進串聯電池組的電性能，使不匹配的單體電池達到同樣的荷電狀態，要求一些電池的充電或放電量比其它電池多，所以要給電池組增加額外的元件和電路，對串聯單體進行均衡管理。這種均衡是通過對電壓最高的單體電池分流來實現的。通過數據采集電路，檢測每只串聯電池的電壓，進而判斷其在整個電池組中所處的狀態，當它的電壓超出總平均電壓一定幅度后，控制與該只電池并聯的分流電路導通，對其進行分流。
通常的分流電路是由一個功率晶體管和限流電阻串聯，再與單體電池并聯組成。在充電過程中控制功率晶體管道通，將高電壓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，增加高電壓電池的負載，使它的放電速度比其它電池快，從而實現了電池均衡。當所有電池都達到同樣的荷電狀態時，從電池組中獲得的總電能相對于均衡前會增加，且各單體電池不會過充、過放，從而延長了電池組的使用壽命。
2 均衡保護電路設計
2.1 均衡保護電路結構
從均衡電路的拓撲結構來分，常見的設計有集中均衡和獨立均衡兩種，集中均衡是通過控制器控制繼電器網絡來切換不同單體，用同一個均衡單元對不同單體電池進行均衡管理，這種方法對硬件設備要求簡單，但對繼電器網絡控制邏輯要求高，每次只能給電池組內的一只單體進行均衡，效率低。獨立均衡有若干均衡單元，通過控制器控制每個均衡單元對一節電池或一組電池進行均衡管理，該方法比集中均衡的硬件復雜，設備成本高，但是均衡的自動化程度高，控制靈活，可以同時對多只電池進行均衡管理，其結構如圖1所示。
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