鋰離子電池組均衡和保護的關系研究

孫 寧 蘇瑞豐

摘要：本文著重分析了鋰離子電池組的均衡和保護的關系，并通過實驗驗證。均衡和保護都有其相應的作用，只有加以合理的應用，才可能在總體上達到一個比較好的效果。

關鍵詞： 鋰離子電池組；保護電路；平均電池電壓均衡

引言

近年來，越來越多的產品采用鋰離子電池做為主要電源，主要是由于鋰離子電池具有體積小，能量密度高，無記憶效應，循環壽命高，自放電率低等優點；但同時鋰離子電池對充放電要求很高，當過充、過放、過電流及短路等情況發生時，鋰離子電池壓力與熱量大量增加，容易產生火花、燃燒甚至爆炸，因此，鋰離子電池無一例外地都加有過充放電保護電路。另外，當對一組鋰離子電池充放電時，考慮到各個單體電池的不一致性，可采取均衡措施來確保安全性和穩定性。本文主要分析了均衡處理的重要性，實現方法，及與保護處理的關系。

均衡電路

均衡的意義就是利用電子技術，使鋰離子電池單體電壓偏差保持在預期的范圍內，從而保證每個單體電池在正常的使用時不發生損壞。若不進行均衡控制，隨著充放電循環的增加，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，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控制，實際上由于電池內阻的作用，均衡電路工作在具有負反饋特性的閉環狀態。為了防止均衡電路在電池組放電時工作，可以在功率開關下端串聯穩壓二極管，這樣在電池放電時，電池電壓較低而失去分流回路。

保護和均衡的關系

設每節電池的當前電壓為Vbati(i=1-7)，最大電壓為Vmaxi(，i=1-7)，最小電壓為Vmini(i＝1-7)，總當前電壓為Vail，總最大電壓為Vmax，總最小電壓為Vmin。則有：

取一個小的時間間隔，得到(1)的變化公式：

總體電壓與變化最大的單體電壓密切相關。所以，我們的重點就放在處理電壓變化率大的電池上，選擇七節相對匹配度高的電池，使所有電池的變化趨于一致，盡可能避免因為某節電池的電壓變化率太大造成的整體失調問題。

均衡的作用是滿足(4)式，并且用它來控制分流，以達到最終所有電池都充滿的這一理想狀態。保護的作用是滿足(2)(3)式，對單節電池的最大電壓和最小電壓進行控制，以達到總體電池電壓的安全范圍。為了凸現保護和均衡各自的作用，本文采用了獨立自由元分析法。

僅有保護的情況

由于電池組內單體電池間的差異，在串聯充放電時特性會有所不同，所以需要保護。有了保護，使用的安全性才有保障。

但同時引入了一個新問題：總體電壓不能反映單節電池的電壓。假設總體電壓Vall為28，0V，過充電保護檢測電壓Vmaxi(i=1-7)為4，2V，并且有3節已經處于充電保護狀態；這時由(1)式，可以很容易計算出剩下的4節電池平均電壓為3，85V，還可以繼續充電，所以就不能以28，0V作為標志來從總體上終止充電。進一步分析，

29，4V也不能作為標準。因為以29，4V作為標準意味著7節電池都處于充電保護狀態，一旦某一節到不了4，2V，就會形成死循環。綜上可知，充電的終止標志無法明確給出，應該比29，4V小，下限由正常工作的電壓決定。

在本文里，采用了MMl414的方法，對七節電池進行了保護。

僅有均衡的情況

均衡的作用是使各單體電池的當前電壓趨于一致。實現了均衡，總體電壓就可以作為一個終止充電的標志。均衡在這里是電壓均衡，其實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現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調性。

在本文里，采用平均電壓均衡法，對七節電池進行處理。

既有保護又有均衡的分析

經過上面的分析，對于鋰離子電池組，均衡和保護都是必要的。所以，在本文里最后把保護和均衡同時做到一個電路里，得到的實驗結果，是比較理想的。

一方面，均衡基本上可以使個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，保護使得電池組整體系統更可靠，更安全。

結語

本文著重分析了鋰離子電池組的均衡和保護的關系，并通過實驗驗證，均衡和保護都有其相應的作用，只有加以合理的應用，才可能在總體上達到一個比較好的效果。