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锂电池充电IC和电池管理的基础知识

为锂电池或电池充电(理论上)很简单,但正如商业产品中的多次严重故障所表明的那样,可能会充满困难。这些范围从笔记本电脑,移动(“手机”)电话,所谓的“悬浮板”(又名平衡板),甚至飞机。平衡板在全世界引起了许多房屋火灾,并摧毁或损坏了许多财产。如果电池充电不当,则存在很高的排气风险(释放高压气体),随后通常会发生火灾。

 

锂是所有金属元素中最轻的,会漂浮在水面上。它非常柔软,但在空气中氧化迅速。暴露于水蒸气和氧气通常足以引起燃烧,特别是如果涉及热量(例如,过度充电锂电池)。暴露在潮湿/潮湿的空气中会导致氢气(来自水蒸气)产生,这当然是高度易燃的。锂在180°C时熔化。 大多数航空公司坚持要求锂电池和电池组的运输费用不超过30%,因为灾难性火灾的风险非常真实。尽管存在局限性,但由于能量密度非常高且重量轻,锂电池现在几乎用于所有新设备。

 

电池的充电和放电速率称为“C” - 电池或电池容量,以Ah或mAh(安培或毫安小时)为单位。因此,容量为1.8Ah(1,800mAh)的电池的“C”额定值为1.8安培。这意味着(至少在理论上)电池可以提供180mA的电流10小时(0.1C),1.8A的1小时,或18A的6分钟(0.1小时或10C)。根据设计的不同,锂电池可以提供高达30C或更高的温度,因此我们假设的1,800mAh电池理论上可以提供54A 2分钟。容量也可以以Wh(瓦特小时)表示,尽管这个数字通常除了在广告手册中之外没有帮助。

 

在美国和其他地方的一些国家,航运公司要求Wh等级,以便他们确定所需的包装标准。单个1.8Ah电池的存储能量为6.7Wh。或者,可能需要说明锂含量。该参考还显示了如何计算,尽管除非电池制造商明确说明锂含量,否则所做的任何计算都只是估计值。原因是火灾风险 - 承运人不喜欢货物着火,锂含量可能决定了货物的运输方式。当电池单独运输(未内置到设备中)时,它们必须充电至不超过30%的容量。

 

与一些较旧的电池技术不同,锂电池不能(也不应该)保持浮充,尽管如果电压保持在最大充电电压以下,则可能是可能的。对于大多数常用电池,最大电池电压为4.2V,称为“饱和电荷”电压。充电电压应仅保持在此水平足够长的时间,以使充电电流降至初始值或1C值的10%。但是,这可能会被解释,因为初始充电电流可以具有很宽的范围,具体取决于电池和充电器。

 

不幸的是,虽然有无数关于锂电池充电的文章,但几乎和文章一样多不同的建议,推荐和意见。为锂电池充电时,至关重要的主要事情之一是确保每个电池的电压永远不会超过允许的最大允许值,这意味着必须监控电池中的每个电池。有许多IC是专门为锂电池平衡充电而设计的,有些系统相当复杂,但在确保最佳性能方面非常全面。

 

虽然传统的锂离子(Li-Ion)或锂聚合物(Li-Po)的标称电池电压为3.70V,但磷酸铁锂(LiFePO4,又名LFP - 磷酸铁锂)则例外,标称电池电压为3.20V,充电至3.65V。许多商用LiFePO4电池都有内置的平衡保护电路,只需要连接到合适的充电器即可。一个相对较新的补充是钛酸锂(LTO),其标称电池电压为2.40V,充电至2.85V。

 

这些替代锂化学电池的充电器与常规3.70伏锂离子电池不兼容。必须规定识别系统并提供正确的充电电压。为LiFePO4设计的充电器中的3.70伏锂电池将无法获得足够的电荷;常规充电器中的磷酸铁锂4会导致过充电。与许多其他化学物质不同,锂离子电池不能吸收过充电,并且必须知道特定的电池化学成分并调整充电条件以适应。

 

锂离子电池在指定的工作电压内安全运行,但如果无意中充电到高于指定电压,电池(或电池内的电池)就会变得不稳定。在设计用于4.20V的锂离子电池上长时间充电超过4.30V将在阳极上镀金属锂。正极材料成为氧化剂,失去稳定性并产生二氧化碳(CO2)。电池压力上升,如果允许充电继续,负责电池安全的电流中断装置在1,000-1,380kPa(145-200psi)时断开。如果压力进一步升高,一些锂离子电池上的安全膜以约3,450kPa(500psi)的速度爆裂开,并且电池最终可能会发泄 - 火焰!

 

并非所有电池都设计为能够承受高内部压力,并且在压力达到接近所示值之前,会显示出明显的凸起。这是电池(或电池)损坏的确定标志,不应再次使用。不幸的是,您在网上找到的许多讨论平衡板的文章(特别是)都在谈论电池质量(或缺乏平衡板)和/或充电器质量(同上),但忽略了下面讨论的电池管理系统(BMS)。

 

这是锂电池充电IC最关键的元素之一,但在大多数讨论电池火灾的文章中很少提及。通常,假设(或编写器不知道)电池组包括 - 或应该包括 - 保护电路,以确保每个电池都受到监控并防止过充电。廉价(或假冒)电池组可能根本不包括保护电路,除非您有带有多针连接器的适当外部平衡充电IC,否则通常要避免使用任何没有这种基本电路的电池。问题是,卖家很少会透露(甚至知道)电池是否有保护。

 


电池管理系统

这不是特别有用,但许多电池和充电器的销售商未能区分电池监控和电池保护。这是两个独立的功能,通常它们是独立的电路。不幸的是,术语“BMS”可能意味着监控或保护,这在很大程度上取决于卖方使用的定义和/或对实际销售内容的理解。

 

我将使用术语“平衡”来应用于充电过程的管理,对于电池(而不是单个电池),平衡过程确保在充电期间密切监控每个电池以保持正确的最大电池电压。保护电路通常永久连接到电池,并且通常集成在电池组中。这些内容将在下文中进一步介绍。在某些情况下,保护和平衡可以作为完整的解决方案提供,在这种情况下,它确实值得使用术语“BMS”或“电池管理系统”。

 

为了正确控制多节电池的充电过程,电池平衡系统是绝对必要的。平衡电路负责确保任何一节电池两端的电压永远不会超过允许的最大电压,并且通常与电池充电器集成。有些还有进一步的规定,例如监测电池温度。在大型安装中,单个单元控制器与中央“主”控制器通信,该控制器向被供电设备提供信号,指示充电状态(只要可以确定此参数 - 它小于精确的科学),以及可能被认为是必不可少的任何其他数据。

 

对于具有2至5节串联电池的相对简单的电池,分别提供7.4V至18.5V的标称电压,电池平衡并不是特别困难。当110个电池串联时,对于大约400V的输出(例如在电动汽车中可能发现),这确实成为一个挑战。单元也可以并联连接,最常见的是作为串并联网络。常用术语(特别是对于模型飞机等的“业余”电池)将电池称为5S(5个串联电池)或4S2P(4个串联电池,每个电池由2个并联电池组成)。

 

并联操作单元不是问题,并且它们可能(尽管通常不推荐)具有不同的容量。当然,他们必须使用完全相同的化学成分。串联运行时,单元必须尽可能接近相同。当然,随着呼叫的老化,它们会以不同的速率这样做,一些细胞总是比其他细胞更快地恶化。这就是平衡系统变得至关重要的地方,因为容量最低的电池将比包装中的其他电池更快地充电(和放电)。大多数平衡充电器在每个电池上使用一个调节器,这确保了每个电池的充电电压永远不会超过允许的最大值。

 

在最简单的形式中,这可以用一串精密齐纳二极管来完成,这实际上相当接近常用的系统。电压必须非常精确,理想情况下,电压将在所需最大充电电压的50mV以内。虽然饱和充电电压通常为每节电池4.2V,但通过将充电电压限制在4.1伏特,可以延长电池寿命。当然,这导致能量储存略少。

 

BMS的两个主要组成部分将在下面分别介绍。这些可以通过性能监控(充电状态,剩余容量等)来增强,但本文将重点放在重要的部分 - 那些最大限度地提高安全性和电池寿命的部分。所谓的“电量计”本身就是一个完整的话题,在这里只是顺便介绍。

 


充电配置文件

该图显示了充电过程的基本要素。最初,充电器在恒流(限流)模式下工作,最大电流理想时不超过1C(1.8Ah电池或电池为1.8A)。通常它会更少,有时甚至更少。如果施加完全饱和电荷,则在0.1C(180mA)下充电将导致30小时的充电时间。但是,当使用相对较慢的电荷(通常小于0.2C)时,一旦电池达到4.2V并且不需要饱和电荷,就可以终止充电。例如,基于“新”充电算法,图1所示的电池可能需要12到15个小时才能以0.1C充电,并且一旦电压达到4.2伏,充电周期就会结束。这对锂离子电池来说更友好,并且电压应力最小化。

 

锂离子充电曲线

锂离子充电曲线(1节电池)

 

如图所示,快速充电意味着容量滞后于充电电压,而1C相当快 - 特别是对于为低消耗设备设计的电池。大约35分钟后,电压(几乎)达到4.2V最大值,充电电流开始下降,但电池仅充电至65%左右。较慢的充电速率意味着充电电平与电压更紧密地一致。像所有电池一样,您永远不会像投入的电池那样多,并且您通常需要比放电期间返回的安培小时(或毫安小时)多投入约10-20%。

 

如果电池电压低于2.5伏,一些充电器提供预调节充电。这通常是标称全恒定电流充电的1/10的恒定电流。例如,如果充电电流设置为180mA,则电池将以18mA充电,直到电池电压升至约3V(这取决于充电器的设计)。然而,大多数系统永远不需要预处理,因为在电池达到潜在的破坏性放电水平之前,电子设备将(或应该!)关闭。

 

在使用中,锂离子电池应保持凉爽。正常室温(20°C至25°C之间)是理想的。将充电的锂电池留在汽车中阳光下是不明智的,温度可能高于30°C的任何其他位置也是如此。 当电池充电时,这一点加倍重要。放电时,需要一些切口方法,以确保电池电压(电池中任何电池的电池)不会低于2.5伏。

 

通常最好不要为锂电池充满电,也不要让深度放电。通过充电可以将电池寿命延长到80-90%左右而不是100%,因为这几乎消除了电池电压达到4.2伏时所经历的“电压应力”。如果要存放电池,建议充电30-40%,而不是充满电。有很多建议,大多数都被大多数人忽略了。不过,这不是用户的错 - 手机,平板电脑和相机的制造商可以提供降低电量的选项 - 有足够的处理能力来做到这一点。这对于没有用户可更换电池的物品尤其重要,因为这通常意味着原本非常好的设备仅仅因为电池疲劳而被丢弃。鉴于恶意软件几乎在每个操作系统中都激增,因此确保电池充电设置永远不会以可能导致损坏的方式进行设置非常重要。

 


电池平衡电路

虽然使用正确的IC为单节电池(或并联电池)充电相当简单,但当有两节或更多节电池串联时,制造更高电压的电池变得更加困难。由于必须监控和限制每个电池两端的电压,因此最终会得到一个相当复杂的电路。同样,大多数主要IC制造商都有很多选择,在许多情况下,最终需要一个专用的微控制器来管理各个单元监控电路。

 

毫无疑问,有些产品不提供任何形式的电荷平衡,而这些产品最有可能在使用中引起问题 - 包括火灾。在没有适当的平衡充电器的情况下使用锂电池是自找麻烦,即使在最便宜的产品中也不应该这样做。您可能会想象,在2个细胞串联包中,只需要监测一个细胞,另一个细胞将自行照顾。但事实并非如此。如果未被监视的电池恰好具有较低的容量,它将比其他电池充电得更快。在受监测的电池达到其最大值之前,它可能会达到危险的电压。

 

多小区监测的原理在概念上非常简单。只有当你意识到相当复杂和准确的电路必须应用于每个细胞时,它才会变得令人生畏。由于电池都处于不同的电压,因此主控制器需要为每个电池监视器提供电平转换电路。这可能使用光隔离器或更“传统”的电平转换电路,但后者通常不适合高压电池组。

 

简化的多单元均衡电路

简化的多单元均衡电路


注意:所示电路是概念性的,旨在展示基本原理。它们不是为结构而设计的,“A”中显示的IC也不是任何特定的器件,因为使用的“真实”IC通常由专用微控制器控制。没有必要向我发送电子邮件询问设备类型,因为它们不作为单独的IC存在。这个想法只是为了展示基础知识 - 这不是一个项目文章,它主要是为了突出您在处理LiPo系列单元时将面临的问题。

 

有两类电池平衡电路 - 有源和无源(两者都显示为无源)。无源系统相对简单,可以很好地工作,但它们的功率效率很差。对于以相对较低的速率(1C或更低)充电的小电池组(2-5串联电池)来说,这不太可能成为问题。然而,对于电动自行车或汽车中使用的大型包装至关重要,因为它们需要花费大量资金来充电,因此BMS的低效率转化为更高的每次充电成本和相当大的能源浪费。

 

我甚至不打算展示一个完整的多单元平衡电路,因为大多数都依赖于非常专业的IC,无论谁制造芯片,最终结果都是相似的。“A”中所示的系统使用控制信号向充电器发送,以便在电池组中的第一个电池达到其最大电压时降低其电流。如图所示,电阻在4.2V时可以传递75mA的最大电流,充电器不能提供超过此电流,否则放电电路无法防止过充电。每个电阻的功耗仅为315mW,但对于非常大的电池组来说,这很快就会增加,这就是主动平衡变得很重要的地方。

 

对于来自不同制造商的设备,实现方式非常不同,并且取决于所采用的方法。有些由微处理器控制,并向微处理器提供状态信息以调整充电速率,而另一些则是独立的,通常主要是模拟的。上面显示的排列('B')很简单,但如图所示也非常有用。三个 20k 电位器经过调整,每个稳压器的电压正好为 4.2V。当平衡生效时(在充电结束时),来自充电器的可用电流必须小于50mA,否则分流稳压器将无法限制电压。这种类型的平衡器有一个重要的限制 - 如果一个电池“坏”(低电压或短路),剩余的电池将严重过充电!

 

但是(这很重要),与许多其他解决方案一样,当电池不充电时,它不能保持连接。每个电池上有约100μA的恒定消耗,假设1.8Ah电池像以前一样,它们将在大约2年内完全放电。虽然这似乎不是一个问题,但如果设备在一段时间内不使用,电池完全有可能在不归路点以下放电。

 

我测试过的相当多的平衡充电器都处于相同的位置。它们不得与电池保持连接,因此需要一些额外的电路来确保在充电器没有输入电源时断开平衡电路。我为客户开发的一个产品需要一个内部平衡充电器,因此添加了一个继电器电路来断开平衡电路,除非充电器已通电。有关此方法的更多详细信息。

 

对于“有源齐纳二极管”系统,至关重要的是,充电器的输出电压必须严格调节,并具有与晶体管(Q1至Q3)发射极基极电压相匹配的热跟踪。充电器很容易继续提供其最大输出电流,但将其全部耗散在电池旁路电路中。这也使得无法感知实际的电池电流,因此它可能不会在应该关闭的时候关闭。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-06-23 14:28