锂离子电池组均衡和保护的关系研究

引言

近年来，越来越多的产品采用锂离子电池做为主要电源，主要是由于锂离子电池具有体积小，能量密度高，无记忆效应，循环寿命高，自放电率低等优点；但同时锂离子电池对充放电要求很高，当过充、过放、过电流及短路等情况发生时，锂离子电池压力与热量大量增加，容易产生火花、燃烧甚至爆炸，因此，锂离子电池无一例外地都加有过充放电保护电路。另外，当对一组锂离子电池充放电时，考虑到各个单体电池的不一致性，可采取均衡措施来确保安全性和稳定性。本文主要分析了均衡处理的重要性，实现方法，及与保护处理的关系。

均衡电路

均衡的意义就是利用电子技术，使锂离子电池单体电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常的使用时不发生损坏。若不进行均衡控制，随着充放电循环的增加，各单体电池电压逐渐分化，使用寿命将大大缩减。

一般情况下，充电时锂离子电池单体电压的偏差在50mV范围是完全可以接受的。造成单体电池电压偏差的主要原因一方面是单体电池存在差异，另一方面测量的电子电路消耗所造成的。

均衡的方法有很多种，譬如开关电容均衡法，降压型变换器法，平均电压均衡法，在这里就不一一赘述。本文采用的是平均电压均衡法，原理框图见图1，图中只给出了一只单体电池的均衡电路，其它各单体电池也配备相同的均衡电路，其中放大器由单体电池供电。

这种均衡控制电路的思路是：单体电池电压与平均单体电池电压相比较，控制功率开关将电池电压高于平均电压的单体电池分流。因此，所有单体电池电压在均衡电路的作用下趋向平均电池电压。

此电路初看起来是开环控制，实际上由于电池内阻的作用，均衡电路工作在具有负反馈特性的闭环状态。为了防止均衡电路在电池组放电时工作，可以在功率开关下端串联稳压二极管，这样在电池放电时，电池电压较低而失去分流回路。

保护和均衡的关系

设每节电池的当前电压为Vbati(i=1-7)，最大电压为Vmaxi(i=l-7)，最小电压为Vmini(i=1-7)，总当前电压为Vall，总最大电压为Vmax，总最小电压为Vmin。则有：

总体电压与变化最大的单体电压密切相关。所以，我们的重点就放在处理电压变化率大的电池上，选择七节相对匹配度高的电池，使所有电池的变化趋于一致，尽可能避免因为某节电池的电压变化率太大造成的整体失调问题。

均衡的作用是满足(4)式，并且用它来控制分流，以达到最终所有电池都充满的这一理想状态。保护的作用是满足(2)(3)式，对单节电池的最大电压和最小电压进行控制，以达到总体电池电压的安全范围。为了凸现保护和均衡各自的作用，本文采用了独立自由元分析法。

仅有保护的情况

由于电池组内单体电池间的差异，在串联充放电时特性会有所不同，所以需要保护。有了保护，使用的安全性才有保障。

但同时引入了一个新问题：总体电压不能反映单节电池的电压。假设总体电压Vall为28.0V，过充电保护检测电压Vmaxi(i=1-7为4.2V，并且有3节已经处于充电保护状态；这时由(1)式，可以很容易计算出剩下的4节电池平均电压为3.85V，还可以继续充电，所以就不能以28.0V作为标志来从总体上终止充电。进一步分析，29.4V也不能作为标准。因为以29.4V作为标准意味着7节电池都处于充电保护状态，一旦某一节到不了4.2V，就会形成死循环。综上可知，充电的终止标志无法明确给出，应该比29.4V小，下限由正常工作的电压决定。

在本文里，采用了MM1414的方法[1]，对七节电池进行了保护(见图2)。

采用图2的保护电路，得到的测试结果示于表1。

仅有均衡的情况

均衡的作用是使各单体电池的当前电压趋干一致[2]。实现了均衡，总体电压就可以作为一个终止充电的标志。均衡在这里是电压均衡，其实电压并不能线性反映电池容量的变化，所以这样的均衡最终只是实现了所有电池电压的接近一致性，而不是电池容量的一致性。另一方面，即使容量相同，其充放电特性也不会完全一致，这也会造成均衡的不协调性。

在本文里，采用平均电压均衡法，对七节电池进行处理，如图3。

采用图3的电路，得到的测试结果见表2。

既有保护又有均衡的分析

经过上面的分析，对于锂离子电池组，均衡和保护都是必要的。所以，在本文里最后把保护和均衡同时做到一个电路里，得到的实验结果，是比较理想的。

一方面，均衡基本上可以使个单体电池的电压趋于一致，不存在某一单体电压太高或太低的情况；另一方面，保护使得电池组整体系统更可靠，更安全。

结语

本文着重分析了锂离子电池组的均衡和保护的关系，并通过实验验证，均衡和保护都有其相应的作用，只有加以合理的应用，才可能在总体上达到一个比较好的效果。

上海微系统与信息技术研究所 李祖布 孙宁 苏瑞丰