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电池匹配和平衡

时间:2022-11-26 14:51:00 点击:

制造商无法预测电池从生产线上下来时的确切容量,铅酸电池和其他涉及手动组装的电池尤其如此。即使是在洁净室中完全自动化的电池生产也会导致性能差异。作为质量控制的一部分,每个电池都根据其容量水平进行测量和分类。高容量镍氢电池和其他电池可保留用于特殊应用并以高价出售;大中档将进入商业和工业市场;劣质电池最终可能会出现在消费品或百货商店中。循环不会显着提高低端电池的容量,买家应该意识到容量和质量的差异,这通常会转化为预期寿命。

根据容量匹配电池很重要,尤其是对于工业电池而言,完美匹配是不可能的。如果稍微偏离,镍基电池在几次充电/放电循环后会相互适应,类似于获胜运动队的球员。高质量的细胞继续比低质量的细胞表现得更久,并且褪色更均匀和可控。另一方面,较低等级的电池随着使用和时间的推移会更快地出现偏差,并且由于电池不匹配而导致的故障更为普遍。电池不匹配是工业电池失效的常见原因。专业电动工具和医疗设备的制造商在选择电池时非常谨慎,以获得良好的电池可靠性和较长的使用寿命。

让我们看看弱细胞与强细胞串在一起时会发生什么情况。弱电池比强电池容量小,放电速度快。首先变空会导致它们强壮的兄弟超越弱小的兄弟,以至于高负载可以将弱电池推向反极性。镍镉在几毫安时可以承受负 0.2V 的反向电压,但超过此电压将导致永久性电气短路。充电时,弱电芯先充满电,然后进入发热过充状态,而强电芯仍然接受充电并保持凉爽。弱电池在充电和放电方面都处于劣势;它继续减弱,直到放弃斗争。

工业电池中电池芯之间的容量公差应为 +/– 2.5%。专为重负载和宽温度范围设计的高压电池组应进一步降低容量公差。细胞平衡与寿命之间存在很强的相关性。

图 1说明了五个老化锂离子电池组的循环性能与电池匹配的关系。电池连接成带有中心抽头的 2P4S 排列,形成我们示例中匹配不佳的两个电池部分。两个部分之间的容量差异为 5%、6%、7% 和 12%。循环时,所有电池在 18 个循环中都表现出较大的容量损失,但最大的减少发生在电池组表现出 12% 的容量不匹配时。

循环性能作为电池匹配的函数
图 1:作为电池匹配函数的循环性能[1]
具有良好匹配电池的电池组的性能优于电池或电池组串联连接不同的电池组。
配置: 5Ah 棱柱形锂离子电池连接在 2P4S(14.8V,10Ah)中,带有中心抽头

优质锂离子电池在新时具有均匀的容量和低自放电。添加电池平衡是有益的,尤其是当电池组老化并且每个电池的性能以自己的速度下降时。当电池串中的电池失去容量或产生升高的自放电时,就会出现问题。这可以归因于大电池中的高温点。低质量的电池也可能容易出现不均匀的老化。磷酸锂比其他锂离子具有更高的自放电,这使电池平衡变得复杂(请参阅BU-802b:自放电升高有什么作用?)

一位电池专家曾说过:“我还没有见过有效的电池平衡电路。” 对于多电池组,他建议使用在工厂按容量和电压分类的优质锂离子电池。这适用于高达 24V 的锂离子电池组;24V 以上的电池组应该有平衡。大多数平衡是被动的;主动平衡很复杂,只在非常大的系统中使用。

在 70-80% 的 SoC 曲线充电期间,被动平衡会在电阻器上释放高压电池;主动平衡在放电期间将额外的电荷从高电压电池转移到低电压电池。主动平衡是 EV 电池的首选方法,但它需要 DC-DC 转换器。校正后的电流仅在 mA 范围内。在加速过程中施加重负载,然后通过再生制动进行快速充电需要高压电池中经过良好调谐的电池才能达到预期寿命。出于成本原因,EV 电池主要使用被动平衡。

手机和平板电脑中的单电池应用不需要电池平衡。电池之间的容量可能会有所不同,每个电池都可以按照自己的条件老化而不会造成伤害,除了提供更短的运行时间。消费者接受这种减少;它是消费产品计划淘汰的一部分(请参阅BU-801a:如何评估电池运行时间)

所有锂离子电池都需要一个保护电路,以确保串联连接的电池在充电时不超过 4.25V/电池(大多数锂离子电池),并在最弱的电池降至 2.80V/电池或更低时断开连接。放电断开可防止较强的电池将耗尽的电池推入反极性。保护电路就像一个守护天使,保护弱小的兄弟姐妹不被强壮的同龄人欺负。这可以解释为什么用于电动工具的锂离子电池组比没有保护电路的镍基电池寿命更长。保护电路还保护电池免受过载电流的影响(参见BU-304:保护电路)

随着使用和时间的推移,电池单元会变得不匹配,这也适用于铅酸。产生高自放电的电池将导致不平衡和随后的故障。如果电池之间的电压差大于 +/- 0.10V,或者如果比重变化超过 10 点(0.010 on SG 量表)。

均衡充电是在使所有电池达到完全充电饱和的充电之上的充电。此服务必须小心管理,因为过度充电会损坏电池(参见BU:404:均衡充电)40 点的比重差异会造成性能问题,电池被视为有缺陷。(40 点的差异意味着一个电池的 SG 为 1.200,另一个电池的 SG 为 1.240。)充电可能会暂时弥补不足,但由于故障电池的高自放电,缺陷可能会在几个小时后再次出现。