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锂离子电池自放电和SOC 匹配方法

TIME: 2019-09-20 资讯资讯

锂离子电池材料的化学属性本身并不会造成电池不均衡问题，也不具有可逆自放电机理。但是，锂离子电池还必须经过一个过程才能使性能稳定，并将产生不可逆损耗，多数此类损耗都出现在电池出厂之前。高温放电以及在室温下放置过久也会出现少量此类不可逆损耗，这种损耗的最大比例在10%以内。所有同时入库或同时使用的电池发生这种损耗的机率一样，因此这种情况不会引起电池不均衡问题。在出现不可逆损耗时还伴随着少量可逆损耗，二者之间存在着某种比例关系。大部分在工厂中出现的可逆损耗在进行电池容量分类前已经被再次充电，因此这类损耗非常小，而且每个电池都一样，不会引起电池不均衡问题。

引起电池不均衡的另一个原因是电池在装配前被闲置过久，而如果将若干批生产时间不同的电池放到同一个电池包中将会加重这种不均衡。在这种情况下，通过容量分类但尚未装配的具有不同可逆损耗的电池将随着时间的推移累计更大的差异。即使在装配成电池包后，如果包中的电池变化很大（尤其是当电池包放置过久），随着时间推移，电池包内的电池不均衡也会加重。

软短路

软短路（soft short是引起某些电池不均衡的主要原因。在电池生产时的细微瑕疵可能使电池出现40KQ以上的短路电阻，由这种高阻抗引起的自放电速率可达0.1mA或每月3%。一些出厂时合格的电池也可能产生软短路问题，但多数电池不会出现这种情况，因而可将容量保持若干年。严格来说，软短路是一种机电变化，如果电池包仅由单个电池构成，那么这个电池可以反复充电而不会出现容量损耗。然而，在串联电池包中出现软短路的电池每月会损耗3%的容量，而其它电池则毫无损耗。

电池包中电池的SOC不一样时会降低总容量。在未出现相应的容量降低之前，电池包使用时需要进行一次调整，入库保存后再经常不定期调整，这样便可恢复最初的容量损耗。同时，在每次充电过程中只需要进行较为简单的均衡，以避免重新产生失配。这些连续调整通常用户是根本不能觉察到。初次使用后，以后的放电过程便不再需要均衡处理。

例如，假设一个电池包中有两个串联电池C1和C2，C1每个月放电3%，三个月后起SOC值从40%下降到31%。C2没有软短路，因此SOC保持为40%。充电时，C2的SOC恢复到100%，而C1只能恢复到91%。放电时，C1的SOC到达0%时C2还剩余9%。因此电池包产生了9%的损耗。

如果对C1施加一个差分电流进行均衡，则两个电池以及整个电池包都将恢复满容量。C1的损耗没有使电池包的容量降低，如图1a和1b所示。

电池容量退化

容量退化是由于生产或工艺差异而导致的电池容量降低，通常在生产过程中出现这种情况的可能性极小。此外，同批生产的电池性能通常一样，因此，大多数电池包中的电池不会出现不均衡问题。然而，电池可能会偶然出现很小的缺陷，如果在这种情况下电池包工作的温度变化较大，那么某些电池就会比其它电池性能降低得更快。例如，用于电脑的电池包的面积很大，因此电池包的某部分会靠近电源或CPU，这部分电池比其它电池受热更多。此类问题可通过电池均衡来弥补，这种均衡处理必须在充电和放电过程中实现，该过程称为容量/能量最大化。然而，这在实际应用中很难实现，同时不够直观，容量/能量最大化问题还有待进一步深入研究。保持电池均衡

监测电池的电压和温度可追踪电池的电压变化，当电池电压变化超过10mV时，电路便启动均衡处理来对电池包中不同的电池电压进行匹配。

这种均衡是通过“分流”需要均衡的电池（电压最高的电池）电流来实现的。通常，将一个功率晶体管和限流电阻串联后，再与电池包中的每个电池并联来控制均衡过程。在充电过程中导通功率晶体管，将该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，增加该电池的有效负载，使它的放电速度比其它电池快，从而在充/放电模式下对电池进行均衡。

外部晶体管的功耗

均衡电路设计时必须注意功率晶体管和限流电阻的选择，以使电流保持在合理的范围内。如果均衡电流过高，功耗会很大，引起电池包升温或增加元件负担；相反，如果均衡电流过低，就需要较长的时间或多个周期才能起到均衡作用，从而降低电池均衡效率，甚至失去意义。

在决定电流大小时要注意不均衡程度、可用时间以及电池容量三项：

1.将合理的电池均衡量定为10-20%的电池容量。对于软短路情况，这相当于以每月3%的放电速率持续3-6个月；对于周期时间不均衡，这相当于100个周期的16%容量损耗。

2.电池均衡所需的合理时间可短至仅1个充/放电周期。SOC不均衡需要较长的时间，最多可达18个小时（这18个小时并非完全用于充电，而是一个至少包括一次充、放电的调整过程。也可能是多个充/放电周期）。容量不均衡通常需要充电1小时，并且至少放电2.5小时。

3.18650具有最高的容量，为2，000mAh，通常最多采用3个电池并联。因此，修正20%容量不均衡所需的最大均衡电流为IBALANCE=（20%×2000mAh×3）/1.0hr=1200mA为了实现这一程度的均衡，电池包的调整必须经过较长时间。假设充电时间为1小时，放电时间为3小时，则经过两个充/放电周期便可获得8小时的均衡处理，这要求均衡电流为150mA，这个电流相当高。例如，如果电池为4V，均衡电源为150mA时的功耗可达0.6W。最好的折衷方法是将电池均衡电流控制在50mA-150mA之间，同时将初始均衡持续多个周期。

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