鋰離子電池自放電及SOC 匹配

鋰離子材料的化學(xué)屬性本身并不會(huì)造成電池不均衡問(wèn)題，也不具有可逆自放電機(jī)理。但是，鋰離子電池還必須經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)程才能使性能穩(wěn)定，并將產(chǎn)生不可逆損耗，多數(shù)此類(lèi)損耗都出現(xiàn)在電池出廠之前。高溫放電以及在室溫下放置過(guò)久也會(huì)出現(xiàn)少量此類(lèi)不可逆損耗，這種損耗的最大比例在10%以?xún)?nèi)。所有同時(shí)入庫(kù)或同時(shí)使用的電池發(fā)生這種損耗的機(jī)率一樣，因此這種情況不會(huì)引起電池不均衡問(wèn)題。在出現(xiàn)不可逆損耗時(shí)還伴隨著少量可逆損耗，二者之間存在著某種比例關(guān)系。大部分在工廠中出現(xiàn)的可逆損耗在進(jìn)行電池容量分類(lèi)前已經(jīng)被再次充電，因此這類(lèi)損耗非常小，而且每個(gè)電池都一樣，不會(huì)引起電池不均衡問(wèn)題。

 引起電池不均衡的另一個(gè)原因是電池在裝配前被閑置過(guò)久，而如果將若干批生產(chǎn)時(shí)間不同的電池放到同一個(gè)電池包中將會(huì)加重這種不均衡。在這種情況下，通過(guò)容量分類(lèi)但尚未裝配的具有不同可逆損耗的電池將隨著時(shí)間的推移累計(jì)更大的差異。即使在裝配成電池包后，如果包中的電池變化很大(尤其是當(dāng)電池包放置過(guò)久)，隨著時(shí)間推移，電池包內(nèi)的電池不均衡也會(huì)加重。
 軟短路
軟短路(soft short是引起某些電池不均衡的主要原因。在電池生產(chǎn)時(shí)的細(xì)微瑕疵可能使電池出現(xiàn)40KQ以上的短路電阻，由這種高阻抗引起的自放電速率可達(dá)0.1mA或每月3%。一些出廠時(shí)合格的電池也可能產(chǎn)生軟短路問(wèn)題，但多數(shù)電池不會(huì)出現(xiàn)這種情況，因而可將容量保持若干年。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，軟短路是一種機(jī)電變化，如果電池包僅由單個(gè)電池構(gòu)成，那么這個(gè)電池可以反復(fù)充電而不會(huì)出現(xiàn)容量損耗。然而，在串聯(lián)電池包中出現(xiàn)軟短路的電池每月會(huì)損耗3%的容量，而其它電池則毫無(wú)損耗。
電池包中電池的SOC不一樣時(shí)會(huì)降低總?cè)萘?。在未出現(xiàn)相應(yīng)的容量降低之前，電池包使用時(shí)需要進(jìn)行一次調(diào)整，入庫(kù)保存后再經(jīng)常不定期調(diào)整，這樣便可恢復(fù)最初的容量損耗。同時(shí)，在每次充電過(guò)程中只需要進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的均衡，以避免重新產(chǎn)生失配。這些連續(xù)調(diào)整通常用戶(hù)是根本不能覺(jué)察到。初次使用后，以后的放電過(guò)程便不再需要均衡處理。例如，假設(shè)一個(gè)電池包中有兩個(gè)串聯(lián)電池C1和C2，C1每個(gè)月放電3%，三個(gè)月后起SOC值從40%下降到31%。C2沒(méi)有軟短路，因此SOC保持為40%。充電時(shí)，C2的SOC恢復(fù)到100%，而C1只能恢復(fù)到91%。放電時(shí)，C1的SOC到達(dá)0%時(shí)C2還剩余9%。因此電池包產(chǎn)生了9%的損耗。 如果對(duì)C1施加一個(gè)差分電流進(jìn)行均衡，則兩個(gè)電池以及整個(gè)電池包都將恢復(fù)滿(mǎn)容量。C1的損耗沒(méi)有使電池包的容量降低，如圖1a和1b所示。 電池容量退化 容量退化是由于生產(chǎn)或工藝差異而導(dǎo)致的電池容量降低，通常在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)這種情況的可能性極小。此外，同批生產(chǎn)的電池性能通常一樣，因此，大多數(shù)電池包中的電池不會(huì)出現(xiàn)不均衡問(wèn)題。然而，電池可能會(huì)偶然出現(xiàn)很小的缺陷，如果在這種情況下電池包工作的溫度變化較大，那么某些電池就會(huì)比其它電池性能降低得更快。例如，用于電腦的電池包的面積很大，因此電池包的某部分會(huì)靠近電源或CPU，這部分電池比其它電池受熱更多。此類(lèi)問(wèn)題可通過(guò)電池均衡來(lái)彌補(bǔ)，這種均衡處理必須在充電和放電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)，該過(guò)程稱(chēng)為容量/能量最大化。然而，這在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)不夠直觀，容量/能量最大化問(wèn)題還有待進(jìn)一步深入研究。保持電池均衡 監(jiān)測(cè)電池的電壓和溫度可追蹤電池的電壓變化，當(dāng)電池電壓變化超過(guò)10mV時(shí)，電路便啟動(dòng)均衡處理來(lái)對(duì)電池包中不同的電池電壓進(jìn)行匹配。 這種均衡是通過(guò)“分流”需要均衡的電池(電壓最高的電池)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常，將一個(gè)功率晶體管和限流電阻串聯(lián)后，再與電池包中的每個(gè)電池并聯(lián)來(lái)控制均衡過(guò)程。在充電過(guò)程中導(dǎo)通功率晶體管，將該電池的電流部分分流，從而使它的充電速度比其它電池慢。在放電過(guò)程中導(dǎo)通功率晶體管，增加該電池的有效負(fù)載，使它的放電速度比其它電池快，從而在充/放電模式下對(duì)電池進(jìn)行均衡。 外部晶體管的功耗 均衡電路設(shè)計(jì)時(shí)必須注意功率晶體管和限流電阻的選擇，以使電流保持在合理的范圍內(nèi)。如果均衡電流過(guò)高，功耗會(huì)很大，引起電池包升溫或增加元件負(fù)擔(dān);相反，如果均衡電流過(guò)低，就需要較長(zhǎng)的時(shí)間或多個(gè)周期才能起到均衡作用，從而降低電池均衡效率，甚至失去意義。 

 在決定電流大小時(shí)要注意不均衡程度、可用時(shí)間以及電池容量三項(xiàng)：

 1.將合理的電池均衡量定為10-20%的電池容量。對(duì)于軟短路情況，這相當(dāng)于以每月3%的放電速率持續(xù)3-6個(gè)月;對(duì)于周期時(shí)間不均衡，這相當(dāng)于100個(gè)周期的16%容量損耗。

 2.電池均衡所需的合理時(shí)間可短至僅1個(gè)充/放電周期。SOC不均衡需要較長(zhǎng)的時(shí)間，最多可達(dá)18個(gè)小時(shí)(這18個(gè)小時(shí)并非完全用于充電，而是一個(gè)至少包括一次充、放電的調(diào)整過(guò)程。也可能是多個(gè)充/放電周期)。容量不均衡通常需要充電1小時(shí)，并且至少放電2.5小時(shí)。

 3.18650具有最高的容量，為2，000mAh，通常最多采用3個(gè)電池并聯(lián)。因此，修正20%容量不均衡所需的最大均衡電流為IBALANCE=(20%×2000mAh×3)/1.0hr=1200mA為了實(shí)現(xiàn)這一程度的均衡，電池包的調(diào)整必須經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間。假設(shè)充電時(shí)間為1小時(shí)，放電時(shí)間為3小時(shí)，則經(jīng)過(guò)兩個(gè)充/放電周期便可獲得8小時(shí)的均衡處理，這要求均衡電流為150mA，這個(gè)電流相當(dāng)高。例如，如果電池為4V，均衡電源為150mA時(shí)的功耗可達(dá)0.6W。最好的折衷方法是將電池均衡電流控制在50mA-150mA之間，同時(shí)將初始均衡持續(xù)多個(gè)周期。