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關于鋰電池不均衡問題和解決方法的考慮

       目前鋰電池的應用越來越廣,開發生產鋰電池的廠家也越來越多,這里針對目前用戶常碰到的鋰電池不均衡問題和解決方法和大家一起交流下。


常碰到的問題:
(1)保護板上是否要帶均衡功能? 均衡電流是不是越大越好?
(2)主動均衡好? 還是 被動均衡好?
(3)電池充電電流是否越大越好?
(4)電池平衡修復時,電流越大越好嗎? 是多個獨立通道修復好還是集成同步修復好?
(5)電池用了幾個月后,里程變短 或 用戶上坡就斷電, 測試發現壓差>0.3V,如何解決?
(6)電池使用1年、甚者1年半后,壓差變大,達到接近0.15V,如何解決?
(7)電池生產過程中點焊有漏焊或虛焊,充放電幾次后,才發現并補焊好,如何快速解決此壓差問題?
(1)保護板上是否要帶均衡功能? 均衡電流是不是越大越好?


回答這問題前,首先,我們需了解2點; 
1、保護板的主要目的是什么?
2、均衡的主要目的是什么?

       保護板的主要目的是為了讓電池在充電或放電時安全的使用,保證電池的安全是第一要素,其它的功能是第二要素。 
       而均衡的主要目的是為了平衡電池自放電的差異,絕不是為了解決電芯品質出現問題時的不一致。可以這么說:均衡是電池的保健品,但不是“藥”! 如果均衡電路正常,它能平衡電池的自放電差異, 但如果均衡電路異常,它就會損壞電池,造成電芯差異的加大。


圖一、電池不平衡的產生示意圖

       所以,我的建議是: 電池保護板越簡潔純卻越好,以電池安全且系統低功耗為主,盡量在電池包內少加額外的附屬功能(比如:GPS,GPRS,藍牙,LED/LCD屏,蜂鳴器電路...等等,如果一定要加,需特別考慮下功耗的控制,做到電池包靜置(睡眠)時,少吃電,甚至不吃電,因為,需要考慮萬一客戶騎完沒充電,放置2,3個月的情況);


       過放電的危害:過放電會使正負極活性物質可逆性受到破壞,電解液分解,負極鋰沉積,電阻增大,即使充電也只能部分恢復,容量會有明顯衰減。


       對于保護板的均衡電流,我建議根據電芯的一致性品質 和 給用戶的質保期來, 如電芯一致性好,質保期又在電芯能達到范圍內,可以不用加均衡電路(備注:產品的失效概率是與電子元器件的數目成正比的, 元器件越多,失效的概率越大)。  但如質保期長,需要均衡電路來提高一致性, 建議可以加不超過50mA的均衡電流, 均衡電流不是越大越好。 要特別注意帶均衡的保護板的散熱, 不要將散熱板與電芯靠緊在一起。均衡電路的控制開關最好以三級管(而不是MOS管)來作為開啟/關閉的控制。

(2)主動均衡好? 還是 被動均衡好?

       主動均衡主要指的是變壓器均衡,電容均衡,電感均衡等能量搬遷的均衡方式,


圖二、變壓器平衡方式)                圖三、電容平衡方式


        還有類似的TI的電感平衡方式, 這些方式從理論上來說都是很好的高效方式,但作為電池包內的平衡電路而言,不僅有成本高,發熱效率問題, 更要考慮到萬一開關電路損壞,會帶來嚴重的安全問題,所以從失效概率來講,主動均衡是有更高要求,更高成本的一種均衡模式。這個有研究和測試過很多年,目前建議大家暫不要采用,這里需要考慮的問題多多。

       而被動均衡是目前常用的用均衡方法,它是通過電阻放電的方法來實現電池的電壓均衡。




圖四、被動均衡方式

       這種方式不僅成本低,技術要求低,從安全角度來說,更安全些,只是效率低些,要注意散熱。目前這種方案更常用些。

(3)電池充電電流是否越大越好?

       以單體鋰離子電池為例, 它的充電方式是恒壓恒流,恒壓為4.2V,而恒流為0.1C~1C。大電流的充電會造成電池生命周期的縮短,容量的降低。下面是一個4.2V/1800MAH的不同電流充電曲線。 通常的選擇是在充電完成時間允許的范圍內(現在通常按8~10小時來算),選擇越小的充電電流越好!


圖五、充電電流對電池循環壽命的影響

(4)電池平衡修復時,電流越大越好嗎? 

       這里面關聯的知識點稍微多些,我們先理解下面幾個知識點


       第一點:電池的開路電壓(Open-Circuit-Voltage,OCV), 就是電池不充不放,靜止一段時間后的電池電壓,它是最接近于電池容量的電壓,我們在做電池容量的測量時,常常會用電池的開路電壓容量表(OCV Table,開路電壓與容量的關系表格)來作為電池容量的初始計算值或校準值。


       第二點:電池的等效電路如下,電池的內阻都有存在。


圖六、電池等效電路



       而這內阻的大小與電流(不管是充電,還是放電)有關系,當電流大時,內阻就大,當電流小時,內阻就小。具體如下:



圖七、電流密度對極化的影響

       電流變大,所以極化就嚴重,內阻也會變大,同樣對電池的電壓就帶來影響。




圖八、典型放電曲線及極化

       簡單來說, 電流越大,極化越大,內阻越大,電池本身的虛壓(內阻×電流)越大,這樣測量電壓與電池容量關系越不準確。

       所以,電池的平衡修復電流,越小越好,考慮到需要快速修復完成的時間要求和電芯測試線的承受電流大小,一般建議平衡修復的電流為1A左右為好。

       也許您會有疑問,20Ah, 30Ah 甚至更大容量的電池,1A這么小的電流是否會要修復很久很久。 這里有個理解的誤區,平衡電流是用于平衡電池的容量(電壓)差異的,不是用來直接充滿電池的。換句話說:如果您的電芯之間的電壓差為80mV, 那么容量的差異一般也就為不超過3Ah(以三元,20Ah為例),我們只需平衡修復好這種差異即可, 同時可用外部的電池包匹配充電器進行PACK整組充電,這樣可使所有電芯在同樣的充電電流狀態中(極化狀態相同,虛壓相近),實現高效率的測試、平衡和電池PACK充電。

       對于那種通過大電流放電的方式的平衡, 由于放電電流大,電池極化很大,特別是在電池的低壓末期,極大的內阻變化,使得測得的電壓與容量關系很難匹對,不僅電壓測試難測準,甚至會帶來誤平衡。

(5)電池用了幾個月后,里程變短 或 用戶上坡就斷電, 測試發現壓差>0.3V,如何解決?

       一旦發現此類問題,可以立刻判斷出肯定是有問題了, 要么是某個電芯壞了,要么是保護板哪通道漏電帶來的。 
此時如何來解決:首先,查看下電池包內有沒漏電或生銹的電芯, 如沒有,可以先將電池包平衡修復好,可以用單通道的補電器(需人工看好,別充多電變高壓) 或采用GP320+GP321的自動平衡修復系統,將電池充平衡。


(1~24串鋰電池自動平衡修復系統)


       在電池平衡修復好后,可利用三端接口板,做下大電流放電測試,同步看下在放電時電芯電壓的情況。


(利用三端接口板進行大電流動態壓差測試)


       如電池壓差一下被拉大,說明的確是電芯問題,需拆下該串電芯,通過內阻測試儀,找出問題電芯,并換上容量和內阻一致的電芯。換好后,再次平衡修復下,修復好后即可繼續使用該電池包。


       如動態壓差測試,電芯的壓差沒有被拉大很多,說明是由保護板的漏電造成,就只需更換保護板即可。


(6)電池使用1年、甚者1年半后,電芯壓差變大,達到接近設置超過0.15V,如何解決?


       前面有提到,電池放電的末期,由于極化的影響,壓差會自然拉大。因此,我們在售后確認電池是否異常時,測試壓差需在所有電芯的平均電壓大于3.8V時,進行測量比較。


       如此時的壓差大于0.15V,這類問題比較大的可能是部分電芯的自放電加大(內阻有變大),電芯容量有了差異,他們算是已快到電池的末期了,很難通過更換新電芯來提高壽命,可通過平衡修復系統,給低電壓,低容量的電池進行主動補電,盡量來以此延長些電池的使用時間。

(7)電池生產過程中有漏焊或虛焊,充放電幾次后,發現并補焊好,如何解決壓差問題?


       這類電池屬于新電池, 它和“那種內阻一致,但由于用了不同批次(放置的時間不同)電芯,帶來的容量差異”問題一樣,它們需要特別高精度的平衡充修復, 已保證電池組有一樣的出廠平衡標準,目前GP320+GP321系統的最高5mV的目標平衡壓差精度,將可非常方便的解決這類問題。






       歡迎與各位同仁交流討論, 上海金動港能源科技,張衛, 電話/微信:138-1728-1575


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