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电池平均身手的阐明及应用手段

  的额定电压仅为4.2V左右,但在诸如EV,便携式电子产品,笔记本电脑,移动电源等应用中,我们需要比标称电压高很多的电压。这就是为什么设计人员将多个以上的电池串联组合以形成更高电压值的电池组的原因。从上一篇《电动汽车电池》文章中我们知道,当电池串联组合时,电压值会相加。例如,当四个4.2V的锂电池串联时,所得电池组的有效输出电压将为16.8V。

  可以想象串联连接许多单元就像将许多马安装在战车上一样。只有当所有马匹都以相同的速度运行时,战车才会以最大的效率被驱动。在四匹马中,如果一匹马跑得慢,那么其他三匹马也必须降低速度,从而降低效率,如果一匹马跑得快,最终会因为拉其他三匹马的负担而伤害自己。类似地,当四个电池串联连接时,所有四个电池的电压值应相等,以最大效率导出电池组。保持所有电池电压相等的方法称为电池平衡。在本文中,我们将学习有关电池平衡的更多信息,并简要介绍如何在硬件和软件级别使用它们。

  电池平衡是一种将每个人的电压水平都提高到最低的技术串联连接以形成电池组的电池应保持相等,以实现电池组的最大效率。当将不同的电池组合在一起以形成电池组时,请始终确保它们具有相同的化学性质和电压值。但是一旦安装好电池组并对其进行充电和放电,由于某些原因我们将在后面讨论这些电池单元的电压值趋于变化。电压水平的这种变化会导致电池单元失衡,从而导致以下问题之一

  最糟糕的事情可能发生的是热失控。众所周知,锂电池对过度充电和过度放电非常敏感。在四个电池的电池组中,如果一个电池为3.5V,而另一个电池为3.2V,则由于所有电池串联,电荷将对所有电池一起充电,并且由于其他电池仍在充电,因此会将3.5V电池充电至高于建议的电压需要充电。

  当锂电池过度充电时,甚至略高于锂电池建议值会降低电池的效率和生命周期。例如,充电电压从4.2V略微增加到4.25V,会使电池降级30%。因此,如果电池电量平衡不准确,则即使稍微过度充电也会缩短电池寿命。

  电池组中的电池变旧时,可能没有几个电池比它的相邻电池更弱。这些星期的细胞将是一个巨大的问题,因为它们将比正常的健康细胞更快地充电和放电。用串联电池为电池组充电时,即使一个电池达到最大电压,也应停止充电过程。这样,如果电池组中的两个电池充满电,它们将更快地充电,因此剩余的电池将不会被最大充电,如下所示。

  类似,在电池组放电时,较弱的电池将比健康电池放电更快电池,它们将比其他电池更快地达到最小电压。正如我们在BMS文章中了解到的,即使一个电池达到最低电压,电池组也会与负载断开连接。这导致了电池组能量的未使用容量,如下所示。

  考虑到上述所有可能的缺点,我们可以得出结论,要使电池组发挥最大效率,必须实行电池平衡。仍然有少数应用程序的初始成本应该非常低,并且在那些应用程序中可以避免电池更换不是问题,可以避免电池平衡。但是在包括电动汽车在内的大多数应用中,必须通过电池平衡来从电池组中获取最大汁液。

  现在我们知道为什么保持电池组中所有电池平衡的重要性了。但是要正确解决这个问题,我们应该知道为什么第一手的单元会变得不平衡。如前所述,当通过串联放置电池形成电池组时,请确保所有电池处于相同的电压水平。因此,新电池组将始终具有平衡的电池单元。但是,由于以下原因,电池组投入使用后,电池会变得不平衡。

  测量电池的SOC很复杂;因此,测量电池中单个电池的SOC非常复杂。理想的电池平衡技术应匹配相同SOC而不是相同电压(OCV)电平的电池。但是,由于实际上不可能在制作电池组时仅根据电压对电池进行匹配,因此SOC的变化可能会导致OCV在适当的时候发生变化。

  很难找到具有相同内部电阻(IR)的电池,并且随着电池寿命的增长,电池的IR也会发生变化,因此在电池组中并非所有电池都单元将具有相同的IR。众所周知,IR会影响电池的内部阻抗,从而决定流过电池的电流。由于IR变化,流过电池的电流及其电压也会变化。

  充放电容量电池的温度还取决于其周围的温度。在像电动汽车或太阳能电池阵列这样的大型电池组中,电池单元分布在浪费的区域,电池组之间可能存在温度差异,导致一个电池单元的充电或放电速度比其余电池单元快,从而导致电池失衡。

  基于上述原因,很明显,我们不能防止电池在操作过程中变得不平衡。因此,唯一的解决方案是使用一个外部系统,该系统会在电池不平衡后强制其再次达到平衡。该系统称为电池平衡系统。有许多不同类型的硬件和软件技术可用于电池电量平衡。让我们讨论一下类型和广泛使用的技术。

  被动单元平衡是最简单的方法。它可以在成本和尺寸是主要限制的地方使用。以下是两种类型的被动电池电量平衡。

  在这种方法中,虚拟负载就像电阻器一样用来释放多余的电压并使它与其他电池均衡。这些电阻器称为旁路电阻器或泄放电阻器。电池组中串联的每个电池都将通过开关连接其自己的旁路电阻,如下所示。

  上面的示例电路显示了四个单元,每个单元通过诸如MOSFET之类的开关连接到两个旁路电阻。 控制器测量所有四个电池的电压,并为电压高于其他电池的电池打开mosfet 。当mosfet打开时,该特定电池开始通过电阻放电。由于我们知道电阻器的值,因此我们可以预测电池正在消耗多少电荷。与电池并联连接的电容器用于过滤开关期间的电压尖峰。

  此方法效率不高,因为电阻中的热量会耗散电能,并且电路也会考虑开关损耗。另一个缺点是,整个放电电流流经mosfet,而mosfet主要内置在控制器IC中,因此必须将放电电流限制在较低的值,这会增加放电时间。克服此缺点的一种方法是使用外部开关增加放电电流,如下所示

  内部P沟道MOSFET将由控制器触发,从而导致电池通过电阻R1和R2放电(I偏置)。选择R2的值,使得由于放电电流(I-bias)的流动而在其两端产生的电压降足以触发第二个N沟道MOSFET。此电压称为栅极源极电压(Vgs),偏置MOSFET所需的电流称为偏置电流(I-bias)。

  一旦N沟道MOSFET电流打开后,电流流过平衡电阻 R-Bal 。该电阻的值可以很。

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