作者：Matthew Borne，Simon Wen

近年來，由于電池供電的便攜式產品市場日益快速增長，鋰離子 (Li-Ion) 電池的使用也隨之變得普遍起來。鋰離子電池的一些卓越特性包括較高的重量及容積能量密度、低自放電率以及無記憶效應。消費類電子產品世界將鋰離子電池作為主要的便攜式電源。手機和筆記本電腦日益成為鋰離子電池的主要用戶。隨著鋰離子電池的發展以及各種化學成份的日益普及，其他設備也可以利用鋰離子的許多特性。許多電動設備、電動汽車、醫療和工業設備現在也都使用鋰離子電池作為其電源。

一些消費類應用要求單鋰離子電池（如手機），或者需要三節串聯和兩節并聯電池（如筆記本電腦）。采用這種新設備，要求更高功率、更高容量以及更加穩健的電池組。串聯安裝電池可以提高電壓，而并聯安裝的電池則可以增加容量。這些電池組數量不一，從筆記本電腦使用的六節電池到電動汽車中使用的數百節電池。由于放大了鋰離子電池的一些不足，這些要求給電池設計人員帶來許多新的設計困難。

這些大容量電池要求先進的管理來確保獲得高品質的設計。我們必須考慮合適的溫度、電壓和電流測量。隨著鋰離子電池組越來越大型，要求更多地關注散熱管理、電池組可靠性、電池使用壽命和電池平衡。實際上，隨著電池組中所需電池數量的增加，電池單元之間的溫度、容量和串聯阻抗差異成為一個重要問題。本文的大部分內容都將用于討論這些差異帶來的影響，以及如何在電池設計中控制這些差異。

問題：電池狀態不匹配

電池的作用是為其主機存儲和提供能量。我們想盡可能多地向（從）電池組存儲和獲取能量。妨礙多節電池組完成這一工作的主要方面是電池阻抗。讓我們來看一看其是如何影響向電池主機供電的。

在鋰離子電池組中，存在一些允許每節串聯電池達到的預定義電壓較小值和較大值。這是一種由電池組中 IC 控制的安全特性，請參見圖 1A。只要每一節電池均保持在過壓和欠壓斷開范圍之間，則該電池組便能夠放電和充電。如果一節電池達到上述任何一個閾值，則整個電池組便會關閉（欠壓），從而讓主機本應可用的電池組處于無法充電狀態（請參見圖 1B）。另外，它不允許充電器向電池組充入應有的大量能量（請參見圖 1C）（過壓）。

圖 1 電池不平衡對于電池容量使用的影響

電池不平衡的原因有很多：

• 非均勻熱應力
• 阻抗變量
• 低電池容量匹配
• 化學差別

這些原因中的有一些可以通過電池選擇和較好的電池組設計來得到較小化。即便如此，所有前期設計工作中，電池不平衡的主要原因是非均勻熱應力。電池與電池之間的溫度差異可引起阻抗變量和化學反應的變化。這就形成了溫度差異，而電池暴露在這種差異下的時間較長（請參見圖 2）。這是一幅筆記本電腦 FLIR 圖，其表明溫度差異的程度，即便在消費類電子應用中也是如此。溫度每升高 10C，一節鋰離子電池的自放電率便翻一番。鋰離子電池的一個特點是，內部阻抗是溫度的函數。較低溫度的電池表現出高阻抗，因此在充電或放電期間 IR 壓降更大。這種電阻還隨暴露在高充電狀態和高溫下持續時間的增加以及充電周期時間的延長而增大。

圖 2 筆記本電腦電池組的散熱變量 FLIR 圖

解決方案：電池平衡技術

由于對能量供給的影響，以及串聯電池應用中存在鋰離子電池過充電的危險性，必須使用電池平衡技術來對失衡進行校正。共有兩類電池平衡技術：無源電池平衡技術和有源電池平衡技術。

無源電池平衡技術

被稱為“電阻泄漏”平衡的無源電池平衡方法使用一條簡單的電池放電路徑，在所有電池電壓相等以前一直為高壓電池放電。除其他電池管理功能以外，許多器件都具有電池平衡功能。

諸如 bq77PL900 等鋰離子電池組保護器主要用于許多無繩電池供電設備、助力自行車及輕便摩托車、不間斷電源以及醫療設備。其電路主要起到一個獨立電池保護系統的作用，使用 5～10 節串聯電池。除通過 I2C 端口控制的許多電池管理功能以外，還可將電池電壓同可編程閾值對比來決定是否需要進行電池平衡。如果任何特定電池達到該閾值，則充電停止，并激活一條內部旁路。當高壓電池降至恢復極限值時，電池平衡停止，而繼續充電。

電池平衡算法只使用電壓發散作為平衡標準，具有過平衡（或欠平衡）的缺點，這是由于存在阻抗失衡影響（請參見圖 3" 4）。問題是，電池阻抗還會在充電期間引起電壓差異（VDiff_Start 和 VDiff_End）。簡單的電壓電池平衡并未區分是電量失衡還是阻抗失衡。因此，這種平衡不能保證完全充電后所有電池均獲得 100% 的電量。

圖 3 基于電壓的無源放電平衡

圖 4 簡單的電壓平衡法或許不能有效地平衡電量

一種解決方案是使用電池電量監測計，例如：bq2084 等。它們都擁有改進的電壓平衡技術。由于電池間的阻抗差異會誤導算法，因此它只在充電周期末端附近進行平衡。這種方法較小化了阻抗差異的影響，這是因為當充電電流逐漸減弱至終止閾值時 IRBAT 壓降也變得更小。另外，這種 IC 還使平衡判斷基于所有電池電壓，所以它是一種更加高效的實施方法。盡管有了許多改進，但是單獨依靠電壓電平的這種需求將平衡操作限制在高 SOC 區域，并且僅在充電時工作。

另一個例子是 bq20zxx 電池電量監測計產品系列，其使用阻抗追蹤平衡方法。這種電量計不再嘗試較小化電壓差異錯誤的影響，而是計算每節電池達到完全充電狀態所需要的電荷 (QNEED)。這種平衡算法，在充電期間開啟電池平衡 FET，以提供要求的 QNEED。這類電池電量監測計可輕松地實施基于 QNEED 的電池平衡方案，這是由于總電量和 SOC 在監測功能中均較穩定地處于可用狀態。因為電池平衡并未讓電池阻抗差異失真，所以它可以獨立于電池充電、放電甚至閑置狀態工作。更為重要的是，它獲得了較佳的平衡精度。

圖 5 基于 QNEED 的電池平衡

由于使用集成 FET 解決方案的無源電池平衡技術的平衡能力有限，因此電池差異或失衡率可能超過電池平衡。另外，由于存在低旁路電流，它可能會占用幾個周期來對一般失衡進行校正。利用現有組件設計一些外部旁路電路可以增強電池平衡（請參見圖 6 " 7）。在圖 6 中，當決定對某節電池進行平衡時內部平衡 MOSFET 首先開啟。這便形成一條低電流通路，其通過連接電池端（電池 1 和電池 2）及 IC 引腳的外部濾波器電阻。當內部 FET 柵-源電壓在電阻中形成，該外部 MOSFET 便被開啟。其缺點是，鄰近電池無法快速、同時獲得平衡。例如，如果鄰近內部 FET 被開啟，則 Q2 不能被開啟，因為沒有通過 R2 的電流。

圖 6 外部 FET 無源電池平衡

圖 7 外部 FET 無源電池平衡的新型拓撲結構

圖 7 顯示了無源電池平衡的較新例子。它是一款低成本、單芯片電池電量監測計解決方案。與前面所述的電池電量監測計解決方案不同，這種 IC 沒有內部電池平衡，但需要一個類似的外部旁路電路來完成平衡。然而，由于該平衡實現電路是一個 IC 內部的開路漏極，因此它可以同時平衡包括鄰近電池在內的數節電池。這種平衡電路使用一種改進的電壓算法，其如圖 6 所示電路。但是，圖 7 中的外部 FET 驅動器描述了更為有效的電池平衡方法。

由于高能量電池中 100% 的多余能量都以熱的形式耗散掉了，因此無源平衡并非是放電期間的首選方法。有源電池平衡使用電容或電感電荷穿梭來轉移電池之間的電荷，這是一種極為高效的方法。這是因為，能量被轉至需要的地方，而非被放掉。這樣做的代價是會增加更多的部件和成本。

獲得專利的 bq78PL114 PowerPumpTM 電池平衡技術是使用電感電荷傳輸的有源電池平衡的較新例子。它使用一對 MOSFET（N 通道和 P 通道）以及一個功率電感來實現在兩個鄰近電池之間建立電荷轉移電路。

電池組設計人員設定串聯電池之間的失衡閾值。如果 IC 測量到超出該閾值的失衡，它就會啟用 PowerPump。圖 8 顯示的是使用了兩個 MOSFET（Q1 和 Q2）及一個功率電感的降壓升壓電路簡圖。頂部電池（V3）需要將能量轉移至低位電池（V2），P3S 信號（工作在約 200 kHz 和30%占空比下）觸發該能量轉移，隨后能量通過 Q1 流至電感。當 P3S 信號重置時，Q1 關閉，電感能量水平處在較高水平。因為電感電流必須不斷流動，因此 Q2 的主體二極管被正向偏置，從而完成向 V2 位置電池的電荷轉移。需要注意的是，存儲于該電感中的能量只有輕微的損耗，這是由于其低串聯電阻。

圖 8 使用 PowerPump 技術的電池平