電池不平衡且稍微擴大對電池容量不匹配的影響

在電源系統(tǒng)設計文章“電池管理系統(tǒng)的主動和被動平衡”中，Stefano Zanella描述了多電池系統(tǒng)是如何失去平衡的。在這篇文章中，我想探討若電池不平衡且稍微擴大對電池容量不匹配的影響時，電池將如何變得不可用。我將專注于汽車鋰離子（Li-ion）電池，但一般來說這些原則適用于所有電池。

多單元電池通常構(gòu)建為串聯(lián)或并聯(lián)電池陣列。串聯(lián)電池過多將導致較高的電池組電壓，而并聯(lián)電池過多將導致較高的總電池容量（表示為安培小時額定值或Ahrs）。然后電池容量將指示并行電池數(shù)量，將等于并聯(lián)電池數(shù)量的電池容量乘以系統(tǒng)運行所需的電池容量。根據(jù)電池類型，汽車傾向于使用96個串聯(lián)鋰離子電池和24個并聯(lián)電池。例如，行駛100英里范圍的電動車輛將需要20-30kWh的電池，這取決于車輛的重量、預期使用模式和車輛中的各種系統(tǒng)效率。系統(tǒng)的幾個方面將決定電池組電壓，包括電動機的總體尺寸和類型、電纜尺寸和隔離要求。

多單元電池通過向堆疊頂部的電池的正極端子提供電流來充電。（假設電池包括n個串聯(lián)電池）。換句話說，電池單元不單獨充電。若您閱讀Stefano的文章，您將了解在充電結(jié)束時，每個單元格中剩余的電量是不同的；并且當您反復對電池充放電（在沒有平衡的情況下）時，這種差異會增加。

若您將圖1中的兩個電池聯(lián)想為相同的充電容器，那么駕駛電動車輛將導致從電池提取能量，這將耗盡這些容器。電動車輛的充電將電荷注入電池，從而填充那些容器。并非所有電池都彼此相同，它們也會不均勻；因此，較弱的電池將以稍微不同的速率充放電。每個電池的電壓電平將分別隨著電池的充電和放電而緩慢上升和下降。

讓我們從一個完整的電池講起。包含在電池中的所有能量（可用能量）可為汽車提供動力。為了不使電池過度放電（因為過度放電會降低電池壽命并且可能影響安全性），當首個電池達到欠電壓閾值（加上通常取決于保護器的安全裕度）時，必須停止放電。為了不對鋰離子電池過充電，當首個電池達到過電壓閾值時，必須停止充電。然而，滯后的電池尚未完全充電，在電池中會留下一些不能用于驅(qū)動的電量，因為當首個電池充滿時，必須再次停止充電。

換句話說，在首次充電/放電循環(huán)之后，一些能量在電池組中滯留。它永遠不能用于為汽車供電。

隨著電池充放電反復進行，滯留的電量增加，從而降低可用電量。此外，可用電量的損失是滯留電量的兩倍，因為滯留電量不可用，并且等效電量不能注入到另一個電池中。

進行足夠的充放電循環(huán)之后，可用能量開始接近零。您如何避免這個問題呢？平衡！您可通過將多余電量耗散到電阻上來實現(xiàn)電池平衡，從而重新獲得將電池充滿電并達到完全充電的能力。

只要所有電池具有相同容量，在每次充電循環(huán)結(jié)束時就無需完全平衡——因為電荷不平衡的影響是完全可逆的。我已觀察到電池電子部件開發(fā)期間的一個案例，其中電池的無源平衡部分在經(jīng)歷多次充電/放電循環(huán)之后才被實現(xiàn)。當平衡系統(tǒng)準備就緒時，可用電量降幅超過25％。然而，在平衡所有電池之后，電池組通過最少的可用能量損失即可完全充滿。

您應該根據(jù)應用和熱學考慮選擇平衡電流的量。例如，在24kWh系統(tǒng)（96個電池串聯(lián)）中，假設電池在其壽命結(jié)束時具有小于1％的充電時間差（充電時間的差異隨時間增加），則66Ah系統(tǒng)將需要補償660mAh。憑借200mA的平衡電流，您可在3.3小時內(nèi)平衡該系統(tǒng)，但是需要兩倍的時間來平衡100mA電流。

表1：特定應用的監(jiān)視和保護設備

若您想開始平衡電池單元，表1的監(jiān)測和保護設備可完美匹配您的應用程序。若您的應用程序未包含在此表中，或者您對當前設計有疑問，請加入德州儀器在線支持社區(qū)，尋找解決方案，獲得幫助，并與TI電池專家分享知識和解決難題。

審核編輯：何安淇