? ? ? ? 隨著電子設(shè)備的發(fā)展，電池所使用電壓和電流的規(guī)格趨于多樣化，小到小功率電動(dòng)工具，大到電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池，電池應(yīng)用會(huì)涉及到各種電池串聯(lián)和并聯(lián)形成電池組的使用方式，以便增加電池的電壓和容量。

? ? ? ? 我們舉一個(gè)典型的案例，如圖0所示，特斯拉ModelS的電動(dòng)汽車(chē)電池共有16個(gè)電池模塊，每一個(gè)電池模塊具有四百四十四節(jié)電池，共七千一百零四節(jié)電池，每一個(gè)電池模塊是6串74并的模塊，想象一下，平衡所有的電池是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)的事情。

圖0

? ? ? ? 實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)發(fā)生電池串聯(lián)時(shí)，難免會(huì)遇到電池不平衡的問(wèn)題。

一般的情況下，當(dāng)電池出廠時(shí)，電池的電壓及容量基本一致，如圖1所示，

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1

? ? ? ? 但是隨著時(shí)間的推移，電池的狀態(tài)會(huì)由于電池生產(chǎn)制造工藝的不同，以及自放電等因素，電池電壓及容量的狀態(tài)會(huì)發(fā)生較多明顯的變化，如下圖2所示，

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖2

? ? ? ? 有人會(huì)問(wèn)，什么是電池自放電呢？實(shí)際上它是電池內(nèi)部自己產(chǎn)生的一個(gè)電荷泄露過(guò)程，此時(shí)事實(shí)上，并沒(méi)有產(chǎn)生負(fù)載放電回路。由于不同電池個(gè)體內(nèi)部阻抗的不同，隨著時(shí)間的推移，及高溫等因素，會(huì)不斷加速這種變化產(chǎn)生。所以，在一些應(yīng)用中，比如儲(chǔ)能系統(tǒng)使用淘汰下來(lái)的梯次電池會(huì)存在很多安全隱患。

? ? ? ? 隨著對(duì)這個(gè)存在不平衡問(wèn)題的電池組的繼續(xù)放電使用，則電壓最低的電池的電壓會(huì)越來(lái)越低，以至于最終達(dá)到0，如圖3，4所示，隨著進(jìn)一步的流過(guò)其它較強(qiáng)電池的電流，則它的電壓可能會(huì)變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)就會(huì)很容易發(fā)生電池?fù)p壞和起火等事件。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖3

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖4

? ? ? ? 對(duì)于一些低成本電池組，并不會(huì)對(duì)每一節(jié)電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以，當(dāng)產(chǎn)生最弱電池電壓變負(fù)后，就會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的失效或者事故。而具有單節(jié)電池保護(hù)電路的電池可以將最弱電池變?yōu)殚_(kāi)路，以此阻止繼續(xù)放電，從而避免安全事故，但這并非是一個(gè)高效的處理方式，接下來(lái)我們解釋一下這一點(diǎn)。

? ? ? ? 從下圖5可見(jiàn)，當(dāng)最弱電池變?yōu)殚_(kāi)路后，其它較強(qiáng)電池的剩余電量就不能繼續(xù)使用了，所以，這就造成了電池容量的巨大浪費(fèi)，一般我們會(huì)在電池內(nèi)部添加單節(jié)電池保護(hù)線路，如圖6所示，除了監(jiān)控電池串聯(lián)總的電壓之外，會(huì)有一部分電路去監(jiān)控每一節(jié)電池電壓，實(shí)時(shí)上報(bào)給主CPU處理器，必要時(shí)去做欠壓或者過(guò)壓的保護(hù)動(dòng)作，在充電過(guò)程中，主要面臨的問(wèn)題就是最弱單節(jié)電池的過(guò)壓?jiǎn)栴}，而在放電過(guò)程中主要面臨的問(wèn)題是最弱電池的欠壓?jiǎn)栴}。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖5

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖6

? ? ? ? 圖7給出了一個(gè)串聯(lián)電池組在充電過(guò)程中的電壓變化過(guò)程，可以看出第三節(jié)電池是一個(gè)最弱的電池，它由于一些原因?qū)е缕淙萘繃?yán)重不足，所以在充電過(guò)程中，其電壓上升速度很快，以至于超過(guò)最大允許電壓，如果不施加過(guò)壓保護(hù)電路，則若干周期后必然導(dǎo)致電池?fù)p壞。另一方面，即使添加了單節(jié)電池過(guò)壓保護(hù)電路，則在最弱電池達(dá)到允許的最大電壓前關(guān)閉此節(jié)電池的充電回路，則其它電池還處于未充滿(mǎn)的狀態(tài)，這勢(shì)必不能很好的利用電池的容量，溫度因素同時(shí)會(huì)惡化這個(gè)過(guò)程，所以，一旦存在劣質(zhì)電池存在于電池組中，你的電池組容量就像一個(gè)很小容量的電池，很快就會(huì)不能用。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖7

? ? ? ? 電池平衡的既然會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電池容量浪費(fèi)，我們一定要通過(guò)一些方法去避免這種不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，我們接下來(lái)會(huì)討論幾種電池平衡電路，通過(guò)它來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

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電阻分流器的方式是最基本的處理電池平衡的方法，如下圖8所示，

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖8

? ? ? ? 如圖8所示的電路，在每節(jié)電池兩端連接一對(duì)電阻，且和一個(gè)可控的晶體管串聯(lián)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控到最大電壓的電池時(shí)，將晶體管閉合，這樣流過(guò)這節(jié)電池的電流會(huì)被分流掉一部分，但是電池組總的充電電流不會(huì)變化，那么，其它電池的電壓會(huì)更快地被充電，其電壓慢慢地趕上最高電池電壓，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到這個(gè)門(mén)限時(shí)，就會(huì)切斷晶體管，接下來(lái)進(jìn)行正常充電。

? ? ? ? 這種方式的好處是成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是部分充電能量會(huì)被當(dāng)做熱能在分流器電阻上耗散掉，所以一般的建議，將電阻和晶體管放置在相對(duì)遠(yuǎn)離電池空間處，以免熱耗散會(huì)加劇電池不平衡的狀態(tài)。

? ? ? ? 另一種處理電池平衡的方法是飛跨電容方式，如圖9所示，主要思想是通過(guò)電容作為搬運(yùn)電荷的工具，將電荷從最高電池電壓搬運(yùn)到最低電池電壓上。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖9

? ? ? ?舉例來(lái)說(shuō)，如圖10所示，當(dāng)最上面的電池電壓是最高時(shí)，比如3.87V,當(dāng)飛跨電容接到上面時(shí)，電容電壓被充電到3.87V，

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖10

? ? ? ? 接著充好電的3.87V的飛跨電容接到最低電壓電池上，如圖11，這樣能量從飛跨電容會(huì)轉(zhuǎn)移到3.8V的電池上，電池電壓會(huì)變?yōu)?/span>3.81V,同時(shí)由于并聯(lián)關(guān)系，飛跨電容電壓也會(huì)變?yōu)?/span>3.81V.

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖11

? ? ? ? 接著3.81V飛跨電容會(huì)重新接到最高電壓電池上，如圖12，此時(shí)能量繼續(xù)從最高電壓電池傳遞到飛跨電容，此時(shí)二者電壓同時(shí)變?yōu)?/span>3.86V.

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖12

? ? ? ? 緊接著飛跨電容又被連接到最低電池電壓3.81V上，達(dá)到平衡時(shí)，電池電壓和飛跨電容變?yōu)?/span>3.82V,此時(shí)它就不再是最弱的電池了，如圖13所示。

圖13

? ? ? ? 系統(tǒng)會(huì)不停的以諸如上述方式進(jìn)行電荷的轉(zhuǎn)移，最終電池電壓最終會(huì)達(dá)到平衡。由于飛跨電容的電荷容量和電池的電荷容量相比相對(duì)比較小數(shù)百萬(wàn)倍，所以能量在飛跨電容和電池之間的傳遞頻率會(huì)是數(shù)千赫茲的水平，由于大部分能量不會(huì)以熱能散掉，這種方式相對(duì)電阻分流器的方式更節(jié)省能耗。上述過(guò)程，我們僅僅從原理上去分析電荷傳遞的過(guò)程。

? ? ? ? 第三種處理電池平衡的方法，是采用雙向DC/DC變換器，將能量從一個(gè)電池中傳遞到另一個(gè)電池中。DC/DC電池變換器可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)為隔離式DC/DC，如同步整流反激變換器或者同步整流正激的變換器，也可以設(shè)計(jì)成非隔離的DC/DC電路，如Buck，4SW buck-boost等。

? ? ? ? 電源的輸入端可以是電池串，也可以是單節(jié)電池，輸出端設(shè)計(jì)為可選擇輸出的多路輸出電源。這種方法，可以用于一些大功率電池應(yīng)用中。接下來(lái)，我們會(huì)簡(jiǎn)單介紹兩種大功率電池平衡的例子，一種是混動(dòng)車(chē)中的48V和12V電池平衡，另一種是5G備用電池中的，鉛酸電池和鋰電池的電池平衡。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖14

? ? ? ? 如下圖15，是在HEV或者PHEV車(chē)上廣泛存在的48V總線結(jié)構(gòu)，由于車(chē)輛電氣化的逐步發(fā)展，越來(lái)越多大功率電氣化設(shè)備的增加，原有12V鉛酸電池的總線電流會(huì)達(dá)到幾百安培，增加48V鋰電池電池后，采用48V總線供電，則大大減小了總線電流，線損會(huì)減小為十六分之一。同時(shí)由于48V電池的儲(chǔ)能效應(yīng)，在剎車(chē)時(shí)，可以將動(dòng)能能量存儲(chǔ)在48V電池中，再次啟動(dòng)時(shí)，會(huì)更容易啟動(dòng)，在節(jié)能上也有一定的幫助。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖15

? ? ? ? 通過(guò)一個(gè)同步整流Buck電路，將48V電池能量轉(zhuǎn)移到12V鉛酸負(fù)載，而從12V鉛酸電池的能量可以反向以Boost電路運(yùn)行，將能量轉(zhuǎn)到48V電池，通過(guò)dsPIC33來(lái)作為主控制器，可以很容易對(duì)48V和12V之間的buck DC/DC做雙向運(yùn)行，作如圖16所示。

圖16

? ? ? ? ?另一種電池平衡的案例，是5G基站備用電源中的雙向DC/DC電源，隨著5G基站設(shè)備的增加，電網(wǎng)受到比較大的壓力，因此需要一個(gè)48V儲(chǔ)能電池放置在系統(tǒng)中，同時(shí)50V基站負(fù)載還會(huì)一直連接鉛酸負(fù)載給客戶(hù)，兩個(gè)電池之間會(huì)通過(guò)一個(gè)雙向DC/DC來(lái)實(shí)現(xiàn)，

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? ? ? ? 電池組合的另一種方式，就是電池并聯(lián)，電池并聯(lián)的情況會(huì)簡(jiǎn)單一些。如圖17所示，正常情況下，并聯(lián)的四個(gè)電池，其充電或者放電電壓必然是相同的，而充電或者放電電流也基本相同。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖17

? ? ? ? 在如下圖18所示的并聯(lián)電池充電過(guò)程中，容量偏小的電池，如最左側(cè)的一個(gè)，由于其阻抗較大，所以，其獲得的充電電流會(huì)偏小，其減小的充電電流部分會(huì)被其它阻抗較小的電池所分擔(dān)，所以容量較小的電池充電相對(duì)較慢，必然不會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓?jiǎn)栴}。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖18

? ? ? ? 在并聯(lián)電池的放電過(guò)程中，也是類(lèi)似的過(guò)程,如圖19所示。容量較小的電池，由于其內(nèi)部阻抗較高，所以會(huì)有較小的放電電流，其減小部分的電流會(huì)被其它正常電池所分擔(dān)，所以較差的容量低的電池不會(huì)產(chǎn)生欠壓的情況。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖19

? ? ? ? 如果在一個(gè)系統(tǒng)中，很多個(gè)電池的容量都變小了，那么這時(shí)候這個(gè)事情就變得相對(duì)不可控了，因?yàn)榇蠖鄶?shù)充電或者放電電流都被轉(zhuǎn)移到較少數(shù)得電池上了，這個(gè)電流會(huì)超過(guò)其允許得正常電流，逐漸得這些電池也就會(huì)被損壞或者降級(jí)，如下圖20中得最右側(cè)的電池。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖20

? ? ? ? ?總結(jié)，通過(guò)以上的分析，我們了解了引起電池不平衡的原因及現(xiàn)象，基于此分析了三種處理電池不平衡現(xiàn)象的電路方法，對(duì)于我們了解電池管理系統(tǒng)的一些設(shè)計(jì)思路有一定幫助。