电池均衡
电池均衡（Battery balancing）也称为电池平衡，以及电池再分布（battery redistribution）都是在多个电池芯串联的电池组中改善可用电池容量，延长电池寿命的技术[1]。电池均衡器（battery balancer）或电池稳压器（battery regulator）就是进行类似工作的电子设备[2]。均衡器常出现在笔记型电脑或是电动车的锂离子电池组里。
原因
[编辑]电池组中的各电池芯可能会有不同的容量，随着时间以及充电放电的循环，各电池芯可能会有不同的电量状态（SOC）。容量差异的原因可能是因为制造的变异、组装的变异（例如某一批生产的电池组，混用了其他的电池芯、电池芯老化、杂质，或是环境因素（例如将电池放在邻近热源的地方，例如马达，电子设备等…），也可能因为杂散负载的累积因素（例如电池管理系统的电池芯监控电路），让此问题变严重。
为了避免个别电池芯过度充电，若有一个电池芯已充电到满电，会停止所有电池的充电。类似情形也出现在放电。因此电池芯的电量差异大，就无法将所有电池充电／放电。为电池组中的各电池芯进行均衡，让每一个电池芯的电量状态维持在相近的状态，这可以让容量最大化，也可以提升寿命。电池均衡只适用在有电池芯串联的情形，并联的电池芯其电压自然会是相同的值（只是电量状态不一定相同），因此不会进行电池均衡，不过若是一些电池芯先并联，再串联，仍可以在串联的两组电池芯之间进行电池均衡。
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安全考量
[编辑]为了避免不希望出现（可能也不安全）的情形，电池管理系统需要监控个别电池芯的运作特性条件，像是温度、电压，有时也包括所提供的电流（不过电流多半只量测整个电池包的，无法知道个别电池芯的资讯），也许也包括在异常高电流下个别电池芯的一次性保护资讯（例如短路，或是其他失效）。
在正常放电下，只要有一个电池芯电量已经放完，就算其他电池芯的电量还剩很多，都要停止放电。充电情形也类似，只要有一个电池芯已经满电，就算其他电池芯还可以再充电，也要停止充电。若没有依上述要求放电或充电可能会造成电池芯的永久损坏、最严重的情形，会让电池变成反极性，电池释放气体、热跑脱或是其他的严重故障。若电池芯没有平衡，个别电池芯的电量差异很大，其充电和放电的能力也会因此而受限。
技术
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均衡可以分为主动均衡和被动均衡[3]。电池稳压器只会进行被动均衡。
完整的电池管理系统会包括主动均衡、温度监控、充电以及其他可以延长电池组寿命的功能[4]。
电池均衡可以用直流-直流转换器进行，有以下三种组态：
- 电池芯转换到电池组
- 电池组转换到电池芯
- 双向
一般来说，直流-直流转换器处理的功率会比电池组整体的功率要小几个数量级。
被动均衡
[编辑]被动均衡会将电量最多电池芯的部分电能转换为热能耗散，多半是透过电阻器。
被动均衡会将各电池芯均衡到一定程度，可能是“上均衡”（top balanced），就是所有的电池芯同时到100%的充电状态，也可能是“下均衡”（bottom balanced），就是所有的电池芯同时到最低的充电状态。这可以用慢慢降低最高充电状态电池芯的电量（透过电阻或是晶体管消耗），或是在充电周期中使用并联的方式，让电量较高的电池芯提供部分电源给其他电池芯充电，让电池充电消耗的整体电量较小。被动均衡在本质上比较浪费，因为为了让电池芯充电状态均衡，会有一些能量以热的方式散失。产生的热也影响到被动均衡可以执行的速率。
主动均衡
[编辑]主动均衡会将电量最多电池芯的部分电能转换给电量最少的电池芯，可能会透过电容器、电感器或是直流-直流转换器进行[5]。
主动均衡会设法将能量重新分配，将充电状态最高电池芯的部分能量转换给充电状态最低的电池芯。其作法可以用切换储能电容器的方式，先让储能电容器和充电状态最高的电池芯并联，再使其断路，之后再和充电状态最低的电池芯并联，也有可能透过连接在整个电池组的直流直流转换器。因为效率不是100%，仍会有部分能量以热的形式耗散，但会比被动均衡要少很多。主动均衡虽有上述的好处，但是增加的成本和复杂度也可观，而且在有些应用下，主动均衡不一定可行。
电动自行车电池组会使用另一种的主动均衡，电池组会有一个多接脚的连接器，透过电阻和电容串连接到各节点，在已知某些电池芯有电压降的情形下，充电器可以对电量最少的电池芯充电，让所有的电池芯端电压相等为止。 其好处是可以略为减少电池组的重量，也减少不必要的抽取电池电流，也可以做多电池芯的均衡。
参考资料
[编辑]- ^ DelRossi, Rich. Cell Balancing Design Guidelines AN231 (PDF). Microchip Technology Inc. 2002.
- ^ Voltage controlled bypass regulator with digital interface. Manzanitamicro.com (2006-02-22). Retrieved on 2013-04-27.
- ^ Wen, Sihua. Cell balancing buys extra run time and battery life (PDF). Analog Applications Journal. September 2009: 14.
- ^ Battery Management and Monitoring Systems BMS. Mpoweruk.com. Retrieved on 2013-04-27.
- ^ Diao, Weiping; et al. Active battery cell equalization based on residual available energy maximization. Applied Energy. July 2017, 210: 9. doi:10.1016/j.apenergy.2017.07.137.
相关条目
[编辑]参考资料
[编辑]延伸阅读
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- Capacitor Based Battery Balancing System
- Instructions
- Lithium-Ion Battery Cell-Balancing Algorithm for Battery Management System Based on Real-Time Outlier Detection
专利
[编辑]- 美国专利第384,447号, E. Julien, Regulating commutator for secondary battery
