磷酸铁锂离子电池的均衡保护技术

磷酸铁锂离子电池的均衡保护技术

摘要：基于磷酸铁锂电池的充放电特性以及单体电池存在一定差异的这一实际情况，需要对电池组中各单体之间实现均衡控制，从而避免个别单体的过充、过放所导致的电池组失效，使其性能接近单体电－池的平均水平。本文描述了电池的均衡控制方法、电路设计和实现步骤，并对磷酸铁锂电池进行均衡充电试验，结果表明该方法能有效的弥补电池的不一致性。

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
锂离子电池已广泛用于便携式电子产品、电动工具和电动车电源。而以磷酸铁锂为正极材料的锂离子二次电池具有优异的热稳定性和循环充放电性能，被业界称为“最安全的锂电池”，因此在近年来，磷酸铁锂电池备受国内外关注。磷酸铁锂具有稳定、安全、环保等氧化钴锂正极材料难以比拟的优点，完全可以应用到诸如电动汽车、低谷电力储藏、风力与太阳能发电电能储藏、应急于电力储备和车用辅助电源等设备。
在应用过程中供电电源通常由多个单体电池串联组成，以满足设备所需电压和功率要求。在实际使用中，由于单体电池之间的差异，电池组的容量只能达到最弱的电池的容量。在串联电池组中，虽然通过单体电池的电流相同，但是由于其容量不同，电池的放电深度也会不同，容量大的总会欠充欠放，而容量小的总会过充过放，这就造成容量大的衰减缓慢、寿命延长；容量小的衰减加快、寿命缩短，两者之间的差异会越来越大，最终小容量电池的失效会导致电池组的提前失效。
通常我们把因单体电池的性能差异而导致的电池组性能降低的现象称为电池匹配失衡。大多数情况下，引起匹配失衡的原因是电池的制作工艺和检测手段的不完善，而不是锂离子电池本身的化学属性变化。即使在生产出电池后进行检测分类再进行组合，也会出现电池匹配失衡的现象。比如：各单体的自放电量不同导致电池组在搁置过程中的容量失衡、单体之间电阻不同导致个别单体在电池组充电过程中过充等。
电池匹配失衡主要表现在两个方面：电池荷电状态失衡（即：所有单体的容量相同，但在电池组制作或搁置过程中，单体的荷电状态不同）和电池容量或能量的失衡。采用电池均衡处理技术便可解决以上两种失衡问题，从而改进串联电池组的电性能。电池荷电态失衡需在电池组初次充、放电时进行均衡调整电池,此后只需在充电期间进行均衡即可，而容量或能量失衡则必须在充、放电过程都进行均衡。
1 均衡保护原理
在理想状态下，锂离子电池组中的单体电池满足以下条件，便认为实现了均衡保护管理：电池组中所有单体电池的容量和荷电状态都相同；电池组中所有单体的容量不同，但单体电池的荷电状态相同。其中电池的荷电状态是指电池的现有容量与电池的实际容量之比。
从上可以看出：电池组均衡是指在电池组的使用过程中，保证各单体电池的荷电状态相同。为了改进串联电池组的电性能，使不匹配的单体电池达到同样的荷电状态，要求一些电池的充电或放电量比其它电池多，所以要给电池组增加额外的元件和电路，对串联单体进行均衡管理。这种均衡是通过对电压最高的单体电池分流来实现的。通过数据采集电路，检测每只串联电池的电压，进而判断其在整个电池组中所处的状态，当它的电压超出总平均电压一定幅度后，控制与该只电池并联的分流电路导通，对其进行分流。
通常的分流电路是由一个功率晶体管和限流电阻串联，再与单体电池并联组成。在充电过程中控制功率晶体管道通，将高电压电池的电流部分分流，从而使它的充电速度比其它电池慢；在放电过程中导通功率晶体管，增加高电压电池的负载，使它的放电速度比其它电池快，从而实现了电池均衡。当所有电池都达到同样的荷电状态时，从电池组中获得的总电能相对于均衡前会增加，且各单体电池不会过充、过放，从而延长了电池组的使用寿命。
2 均衡保护电路设计
2.1 均衡保护电路结构
从均衡电路的拓扑结构来分，常见的设计有集中均衡和独立均衡两种，集中均衡是通过控制器控制继电器网络来切换不同单体，用同一个均衡单元对不同单体电池进行均衡管理，这种方法对硬件设备要求简单，但对继电器网络控制逻辑要求高，每次只能给电池组内的一只单体进行均衡，效率低。独立均衡有若干均衡单元，通过控制器控制每个均衡单元对一节电池或一组电池进行均衡管理，该方法比集中均衡的硬件复杂，设备成本高，但是均衡的自动化程度高，控制灵活，可以同时对多只电池进行均衡管理，其结构如图1所示。