[发明专利]一种锂离子电池组均衡充电的方法和电路

说明书

[技术领域]

本发明涉及离子电池组充电，尤其涉及一种锂离子电池组均衡充电的方法和电路。

[背景技术]

锂离子电池由于体积小，重量轻，容量密度高等优点已经广泛应用于各种电子设备中。

由于锂离子电池的单体电压低(钴酸锂或锰酸锂电池额定3.6V或3.7V，充满为4.2V；磷酸铁锂电池额定为3.2V充满为3.6V)，常通过串联办法以获得所需要的标称电压，如12V，24V，36V，42V，48V电压或更高的输出电压。由于生产控制工艺及材料差异，材料离散性等原因，每个电池单体的内阻，容量，荷电状态，自放电率，开路电压都存在差异，为发挥整个电池组的最佳性能，厂家出厂前需对电池单体进行专门的配对均衡等一致性测试，最后才能组装成所需要的电池组。所以，电池组使用初期，一般是比较均衡的，性能较佳。但电池组随着充放电循环次数的增加，或电池组长期存放，缺少保养维护，由于电池的内阻，容量，自放电率的不断变化，电池单体的性能会出现较大的变化，整个电池组的性能将逐渐劣化，主要表现在：充电充不满，放电能力不足，容量下降。

锂离子电池由于其内部独特的电化学特性，化学成分非常活跃，不允许电池过充、过放或过温，过流，否则会损坏电池，甚至出现起火甚至爆炸等安全问题。所以，不管是单体还是电池组，都需要配合有专门的充放电保护电路才可以使用，此充放电保护电路称为“电池保护板”或BMS(Battery ManagementSystem)，此保护电路时刻监控每个电池的充放电工作状态，当电池单体或电池组出现异常时，即关闭电池的充放电，避免事故发生。

传统的充电方法的流程如图1所示，传统的充电特性曲线如图2所示(以钴酸锂电池为例)。根据锂离子电池的充放电特性，充电时采用恒压恒流的方式，以钴酸锂电池单体为例，额定标称电压为3.6V，电池充满时电压为4.2V，当电池电压小于4.2V时，充电器以恒流的方式(如恒定大电流值为I1，也可以开始先以恒流小电流I0值进行预充电，当电池电压上升到一定值时再改用恒流大电流I1进行充电)给电池充电，当电池的电压达到4.2V时，充电器改成以恒压限流的方式(4.2V)给电池充电。进入恒压充电模式后，充电电流将逐步下降，当充电电流小于某值(如I2)时，则认为电池已充满，停止充电。对于多节电池串联的电池组，充电方法及过程同单节电池一样，只是恒压充电电压改为N×4.2V(N为电池单体的串联个数)。

以上所描述的充电方法，是目前最普遍使用的充电方法，在电池组使用初期阶段，是基本能够满足充电要求的。但随着充放电循环次数的增加或电池长期存放后，内部电池单体的内阻变大，容量下降，同时由于自放电率不同，电池单体的电压也相差较大。自放电率最高的电池，自身被消耗掉的能量最大，荷电量最少，电池的电压也最低。随着时间的增加，电池的不均衡情况将越来越严重，自放电率将是影响电池组各电池单体均衡情况的一个最重要因素。采用上述的常规充电方法，无法改善电池的不均衡状态，电池组的性能会越来越差，表现如下：

充电充不满：自放电率最高的电池单体电压最低，存储的能量最少。如果电池组的所有电池单体均衡性良好，则在充电过程中，各个电池的电压相差不大，电池组电压逐步升高到N×4.2V(N为电池串联节数)，然后进入恒压模式，充电电流将慢慢下降，当电流小到设定的I2时(如图2所示)，电池被充满，充电器关闭充电。但如果电池的不均衡情况严重，电池单体的电压相差较大，则自放电最少的单体电池电压最高，将最先被充满电，而这时放电率最高的电池单体电压最低，仍未被充满电。随着电池组的继续充电，最先被充满电的电池单体电压将会急剧上升，触发电池保护板(BMS)的过压保护功能，断开充电回路，禁止充电。从充电器的输出看(图2)，就是充电电流尚未到达小电流I2，或还远远大于I2时，电流就会被断开，无法给电池组充电了。结果是电池组中自放电率小、荷电量多的电池单体出现满充，自放电率大、荷电量少的电池单体出现欠充。由于充电电流被电池保护电路强迫断开了，充电器会检测到假的认为电池已经被充满的电流信号：充电电流值小于I2，这样会导致显示假的充电结果：电池已充满。

放电能力不足：将严重不均衡的电池按上述常规方法进行充电后，即使充电时提示“电池已充满”，但真正放电时会发现放电严重不足。因为充电过程中，只是自放电小，荷电量高多的电池单体被先充满了，而自放电高荷电量少的电池还处于欠充状态，放电时欠充的电池能量不足，电压下降最快，电压最低，当欠充的电池单体能量快放完时，电压会急剧下降，触发电池保护板(BMS)的欠压保护功能(钴酸锂一般设定为2.5-2.8V)，禁止电池组放电，以保护电池。