电池组特有的功能

   电芯均衡调整功能 电芯的容量偏差

  通常来说，多电芯串联锂离子电池组在出货前，各电芯的电压和容量都是调整好的状态。但随着反复充放电，各电芯的容量偏差会越来越大。对多电芯串联锂离子电池组的电芯容量偏差影响较大的要素有以下几个。

  不恰当的电池使用方法引发容量劣化

  以下4种不恰当的使用方 ** 使锂离子电池受损、进而劣化。（1）高压引发的劣化锂离子电池的电压越高，其容量越容易劣化，故笔者建议在保存电池时，对电池进行低频率充电。对电池进行适量充电，保证其电压不会过高，同时尽量保证各电芯的电压均衡，是保存电池的最佳方法。（2）低压引发的劣化当电池电压极低时，同样易引发容量劣化。因此，需要对电池进行调整，保证其不会过放电。（3）反复充放电引发的劣化在充电→放电→充电的反复过程中，电池容量也会逐渐劣化。（4）温度引发的劣化当锂离子电池组在高温状态下反复充放电时，其劣化倾向会更显著。因为在此状态下更易产生各电芯的温度差异，导致有的电池容量劣化快，有的则较慢。要想防止这一问题的发生，就必须保证各电芯温度尽量均衡，但这并非易事。

  多电芯串联锂离子电池组的温度对策

  保证多电芯串联锂离子电池组温度均衡的难度较大，是因为引发电池温度上升的因素分为外部气温影响和电池自身的发热。针对这两点，应该尽量使多电芯串联锂离子电池组紧凑化，并且减小各电芯之间的电阻。两侧的电芯（C1、C5）由于与其相邻的电芯只有一个，故不易升温，且容易散热（图3）。

  与之相反，放置在中间的电芯（C2 ～ C4）较易升温。正因如此，在电池组的劣化过程中，必然会出现差异，而防止这一差异的产生并非易事。

  电池剩余容量的产化

  因为受上述因素的影响，构成多电芯串联锂离子电池组的各电芯的容量易产生差异，而一旦出现差异，就很难恢复到原始状态，此时需要了解各电芯剩余容量的变化情况。电池组反复充放电后，各电芯的电压就会出现差异，呈现图4 所示的状态：

  ·电压高的电芯（C2）的充电完成时间较短·电压低的电芯（C1）的放电完成时间较短因此，当C1 已充满时，其他电芯还未充满；而当C2 已经达到过放电状态时，其他电芯还处于可放电状态。

  电芯均衡的方法

  当电池组内的各电芯出现电压差异时，其有效容量就会减小。而在此状态下，令各电芯的电压均衡得以恢复的方法就称为电芯均衡。电芯均衡方法大致分为两大类：·被动电芯均衡·主动电芯均衡

  被动（放电型）电芯均衡的原理

  被动电芯均衡是指将开关、电阻与电芯并联，然后通过闭合开关，让电压高的电芯通过电阻放电，通过消耗电压偏高的电芯的容量，达到与其他电芯的电压均衡的目的（图5）。

  若对充电的电芯使用被动电芯均衡，就可以使充电电流分流到放电分支。这种方法又被称为放电型，更加形象。（1）电池组未充电时［图5（a）］C1 电压 > C2 电压时，闭合S1，电流便会由C1 通过S1 流向R1。通过降低C1 的电压，可将C1 与C2 的电压差缩小。（2）电池组充电时［图5（b）］C1 电压 > C2 电压时，闭合S1，便可减小流向C1的充电电流。此时，若将流向C1 的充电电流记为IC1，电经过R1 的电流记为IR1，流向C2 的充电电流记为IC2，则Ichg = IC1 + IR1 = IC2。也就是说，降低C1 的充电速度，便可缩小C1 与C2 的电压差。

  被动电芯均衡时的电压变化

  图6所示为充电时采取被动电芯均衡的电压变化。当电压处于不稳定状态时，从t0 开始充电，刚开始时C1 和C2 的充电节奏一致。但当C1 的电压超过电芯均衡电压时，也就是从t1 开始，流向C1 的充电电流就会通过S1 被分流到R1。此时，C1 进入停止充电状态，只有C2 处于充电状态。随后，到达时间t2 时，C2 也到达电芯均衡电压，此时整体的电压就达到了均衡状态。被动电芯均衡方法的控制原理和构成较简单，所需成本较低。但使用该方法时，储存于电芯内的部分电量会以焦耳热的形式散失。

  主动（充电型）电芯均衡原理

  如前所述，被动电芯均衡的缺陷是会损失储存的能量。而主动电芯均衡不同，该方法可以利用线圈、变压器、电容器等，将能量由充电量较大的电芯向充电量较小的电芯转移，通过这样方式实现电芯均衡。由于能量的形式并未改变，只是在电芯之间转移，故其能量损失较小。但主动电芯均衡的控制原理更复杂，并且使用的器件尺寸更大、数量更多，故成本往往较高。图7 所示为主动电芯均衡的简化电路图，这里只使用了变压器。

  主动电芯均衡电路

  假定C1 电压 > C2 电压，初期状态S1A、S1B、S2A、全部处于断开状态。开始进行均衡动作时，首先通过闭合S1A，把电流导向T11，进行能量储存。当能量储存到一定程度后，再把S1A 断开，同时闭合S2A。S2B这样，储存于变压器中的能量便会从T12 返回C1、C2。由于返回的能量为C1 的剩余能量，故与被动电芯均衡相比，主动电芯均衡的能量损失更小。

  优先使用已实现均衡的电池

  通常情况下，个人能买到的锂离子电池都是经过保护处理的电池组，购买电芯是比较困难的，但偶尔但是，这样的电芯，其生产时间、生产者、生产地大多不明，所以很难进行容量匹配。

  容量匹配的极限

  思考电池容量的匹配（图8）。

  即使电池A 与电池B 的电压测量结果相同，但如果种类不同，电芯充电容量也会不同。在这种情况下，需要一开始就进行电芯均衡调整。即使电池A 与电池C 种类相同，若购入时间不同，也会产生电压差，电芯剩余容量也会存在差异。电芯间的电压差异较大时，需要花费较长时间才能达到均衡状态。所以，在组合多电芯串联成锂离子电池组时，尽量选取容量、电压差距小的电芯。

  电芯均衡功能的局限性

  如前所述，电芯均衡功能是用来调整拥有相同特性的电池的电压差异的功能。通过调整电池电压，实现容量均衡，增大电池组的实际有效容量。但这一功能存在局限性。（1）当放电容量特性不同时

  图9 所示为电池的正极活性物质不同时的电压-放电容量特性对比图。可以看出，正极为LiCoO2 的电池的电压随着容量的增大，呈现出一定的下降趋势。而正极为LiFePO4 的电池的电压则出现陡降。对拥有电压陡降特性的电池而言，如果在其电压陡降期间进行均衡动作，根据电池电压的测量精度，其电芯均衡反而会崩溃。（2）劣化导致内阻极大的情况电池劣化后，其内部电极等会出现变化，内阻也会增大。如果在内阻状态下放电，电流与内阻会产生电压，而从外部来看，呈现出电池电压因电流变化而变化的状态。例如，充电时，电池电压看上去较高。在这种状态下，电芯均衡会间歇性动作，达到均衡状态的时间较长（图10）。

  断路检测功能饱受震动和冲击的电池

  前文介绍了多电芯串联锂离子电池组的用途。

  使用表1 中的电动工具、电动自行车时，需要注意行驶时发生的震动。以电动螺丝刀为例，拧螺钉时都是有一定的扭力要求的。超过扭力要求，拧得过紧，会发出“咯咯咯”的声音，此时电动螺丝刀会发生震动。这一系列反应，源自电动螺丝刀本身的设计原理：若超过其扭力上限，离合器则会自动滑开，释放掉多余的扭力。电动自行车也是如此，当其行驶于凹凸不平的路面时，车轮会发生震动。其实，不光是电动工具和自行车本体在震动，与其连接的电池也饱受影响。

  电池组内的断路

  电池组由锂离子电池与监控、保护锂离子电池的电路板构成。电池与电路板通过电缆、端子等连接。当电池组震动时，其连接部位也饱受震动的影响。若长时间处于该状态，电缆与焊接部位会严重受损，最终导致断路。此外，可拆卸的电池组在受到冲击时，也可能发生断路。

  断路对电池组的影响

  如图11 所示，如果电池与基板的连接处断路，则电池电压不会输入基板。此时，监控电压的保护功能就会失效。此时，断路端子的电压会出现浮动。受IC 和保护基板的电路阻抗均衡作用的影响，断路的连接线两端的2 个电芯的总电压会在中间处均衡［图11（b）］。

  断路危险无法检测

  有时，即使发生断路，从电芯电压与电路也无法发现端子的电压异常。此时，保护电路无法检测异常。正因该状态下无 ** 确检测电压，受电芯电压与电路阻抗均衡的影响，无法及时发现电池组处于过充电状态。过充电是使用锂离子电池时最难避免的问题，为了能够及时发现该现象，有必要采取相关措施。

  断路检测电路

  如前所述，如果对断路状态置之不理，则有可能发生危险。如何才能发现处于良好均衡状态下的端子的异常呢？故意破坏其良好均衡状态是最直接的方法。

  图12 所示为用于检测断路的简化电路。

  断路检测的原理

  图12 所示为C1 的负极、C2 的正极与保护基板P2端子的连接处断路的情况。虽然电池与P2 之间的接线已断开，但由于P2 的电压受保护电路RT1、RB1、RT2、RB3 的支撑，P1 与P3 的中间处的电压依旧处于稳定状态。若此时闭合S1，用比均衡P2 的电路阻抗更小的电抗R1上拉到P1，P2 的电压就会逐渐接近P1 的电压。此处使用的电路与保护电路类似，通过该电路可以检测断路。

  断路的原因不只有震动

  断路的原因除了震动，还有热应力引发的焊锡开裂等。无论是何种原因，一旦断路，串联电池的部分电压就会不可见，并有可能导致过充电，这是锂离子电池最危险的一种状态。1END1往期精彩

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