锂电池均衡处理技术解决SOC和C/E失配问题
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2020-08-02
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锂电池均衡处理技术解决锂电池均衡处理技术解决SOC和和C/E失配问题失配问题
电池容量的不匹配包括充电状态(SOC)失配和容量/能量(C/E)失配。在两种情况下，电池包的总容量都只能达到
最弱电池的容量。在大多数情况下，引起电池失配的原因是工艺控制和检测手段的不完善，而不是锂离子本身
的化学属性变化。
为了给设备提供足够的电压，锂电池包通常由多个电池串联而成，但是如果电池之间的容量失配便会影响整个电池包的容量。
为此，我们需要对失配的电池进行均衡。本文讨论了电池均衡的概念和一些注意事项。
锂电池包通常由一个或几个电池组并联，每个电池组由3到4个电池串联构成。这种组合方式能同时满足笔记本电脑、医疗设
备、测试仪器及工业应用所需的电压和功率要求。然而，这种应用普遍的配置通常并不能发挥其最大功效，因为如果某个串联
电池的容量与其它电池不匹配将会降低整个电池包的容量。
电池容量的不匹配包括充电状态(SOC)失配和容量/能量(C/E)失配。在两种情况下，电池包的总容量都只能达到最弱电池的容
量。在大多数情况下，引起电池失配的原因是工艺控制和检测手段的不完善，而不是锂离子本身的化学属性变化。棱柱形锂电
池(LiIon prismatic cell)在生产时需要更强的机械压力，电池之间更容易产生差异。此外，锂离子聚合物电池也会因为采用新的
工艺而出现电池之间的差异。
采用电池均衡处理技术可解决SOC和C/E失配问题，从而改进串联锂电池包的性能。通过在初始调节过程中对电池进行均衡处
理可以矫正电池失配问题，此后只需在充电过程中进行均衡即可，而C/E失配则必须在充、放电过程都进行均衡。尽管对于某
个电池厂商而言其产品缺陷率可能很低，但为了避免出现电池使用寿命过短的问题，我们仍然有必要提供进一步的质量保证。
电池均衡的定义
工作电压为6V 或以上的便携式设备采用串联电池包供电，这种情况下电池包的总电压为各串联电池电压之和。便携式电脑的
电池包通常由三、四个电池串联而成，标称电压为 10.8V或14.4V。在大多数此类应用中，单个串联电池包无法提供设备所需
能量。目前最大的电池(如18650)可提供2,000mAh(毫安 ·小时)能量，而电脑需要50-60Whr(5,000-6,000mAh)的能量，因此必
须给串联的每个电池并联三个电池。
电池均衡是指对串联电池包中不同的电池(或电池组)采用差分电流。串联电池包中每个电池的电流通常是一样的，因此必须给
电池包增加额外的元件和电路来实现电池均衡。只有当电池包中的电池是串联的，同时串联电池等于或大于三级时才会考虑电
池均衡问题。当电池包中所有电池都满足下面两个条件时，便实现了电池均衡：
1. 如果所有电池的容量相同，那么当它们的相对充电状态一样时便实现了电池均衡。SOC通常以当前容量与额定容量的百分
比来表示，因此，开路电压(OCV)可 作为SOC的一个衡量标准。如果一个不均衡电池包中的所有电池可以通过差分充电达到
满容量(均衡点)，它们便可以进行正常的充放电而无需任何额外的调整， 通常这种调整是一次性的。用户在使用新电池时，通
常需要求对电池进行长时间充电，这个过程实际上包括一次完整的放-充电。该过程使负载最小化，并使电池充 电时间最长，
降低对电池均衡电路的要求。
2. 如果电池的容量不同，当SOC相同时也认为它们是均衡的。但SOC只是一个相对值，每个电池容量的绝对值是不同的。为
了使容量不同的电池的SOC相同，每次对串联电池进行充放电时都必须使用差分电流。正常充放电的时间比初次充放电更
短，并需要更大的电流。
当电池包中的电池不均衡时，它的可用容量将减少，串联电池包中容量最低的电池将决定电池包的总容量。在不均衡电池包
中，一个或几个电池会在其它电池尚需充电时便已达到最大容量。而在放电时，未完全充电的电池又会比其它电池先放完电，
使电池包因电压不足而提前停止供电。
通常，电池之间容量的差异低于3%。如果串联锂电池包的某个电池不合标准，或者在封装前放置过久，在充满电后电压差可
达150mV，从而使电池包的总容量下降13-18%。
SOC均衡处理
如果电池包中所有电池的容量相同，我们便采用SOC均衡处理。当所有电池的SOC值相同时我们认为电池是均衡的。
单个电池的充电状态定义为：
SOC=C/CTOTAL%
单个电池的容量定义为：
C=(i×t)mAh
为了确定某个电池的容量，我们将该电池完全放电然后再充电，并在充电过程中的不同时间进行电流测量，直到达到4.20V的
开路电压。最佳性能电池在该状态下的SOC为100%，SOC为50%的OCV电压通常称为VMID，其典型值为3.67V。
为了给容量不同的电池充电使它们达到同样的SOC，要求一些电池的充/放电量必须比其它电池多，这必须使用差分电流。我
们将这个过程称之为容量/能量最大化。
容量/能量最大化
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