电池管理中的保护与均衡

电子发烧友网报道（文/李宁远）电源相关的芯片，一直是很受关注的一类产品，电池保护芯片就是一类用于检测单芯和多芯电池中各种故障情况的电源相关芯片。现在的电池系统里，锂离子电池的特性非常适合便携式电子系统，但锂离子电池需要在额定限值内工作，注重性能和安全性。
 
因此对锂离子电池组的保护是必要且关键的，各种电池保护功能的应用就是为了避免诸如放电过流OCD和过热OT等故障情况的发生，增强电池组的安全性。
 
电池管理引入均衡技术
 
首先说电池组最普遍的问题，一致性。单体电池组成电池组后容易发生热失控，出现各种故障情况，这就是电池组不一致引发的问题。组成电池组的单体电池在容量、充电、放电各项参数上是不一致的，而“木桶效应”导致了属性更差的单体电池会影响整个电池组的综合性能。
 
电池均衡技术是公认的解决电池组一致性最好的办法，均衡是通过调节均衡电流来调节不同容量电池的实时电压，均衡能力越强，抑制电压差扩大和防控热失控的能力就越强，对电池组的适应性就更好。
 
这个和最简单的基于硬件的保护器不一样，电池保护器可以是基本过压保护器，也可以是能够对欠压、温度故障或电流故障进行响应的高级保护器。一般来说能提供电池均衡功能的，是电池监控器和电量监测计这种级别的电池管理IC。电池监控器提供电池均衡功能还会包含可配置性较高的IC保护功能，电量监测计的集成度则更高，包含了电池监控器的功能，并在其基础之上集成了高级监测算法。
 
不过，现在也有一些电池保护IC还通过集成式FET将电池均衡功能加入进来，能够在充电时，自动为高压满电的电池放电，保持串联中电压低的电池充电，从而使电池组达到平衡。在实现一整套的电压、电流和温度保护功能之外，电池保护IC也开始引入均衡功能适应多节电池的保护需求。
 
从初级保护到次级保护
 
最基础的保护是过压保护，所有的电池保护IC都会按照不同的保护等级提供过压保护，在此基础之上，有的是过压加放电过流保护，有的是过压加放电过流加过热保护。对于一些高芯数的电池组，这种保护已经不足以满足电池组的需求，这时候就需要具有电池自主均衡功能的电池保护IC。
 
这种保护IC属于初级保护，控制充电和放电FET以响应不同类型的故障保护。这种均衡，可能很好地解决电池组热失控的问题。单个电池积热过多会导致电池组平衡开关和电阻的损坏，电池均衡让电池组中的每个无缺陷电池应均衡到与其他缺陷电池相同的相对容量，降低热失控出现的风险。
 
目前有主动均衡和被动均衡两种途径实现电池均衡，主动均衡就是把能量或者电荷从高电压/高SOC的电池转移到低SOC的电池，被动均衡则是运用电阻，将高电压或高电荷量电芯的能量消耗掉，以达到减小不同电芯之间差距的目的。被动均衡的能量损耗和热风险都是很高的，相比之下主动均衡效果更好，不过控制的算法难度很高。
 
从初级保护到次级保护，这时候电池系统都需要配置电池监视器或电量监测计来实现次级保护了。虽然初级保护可以实现无需MCU控制的智能电池均衡算法，但是次级保护要将电池电压和电流传输到MCU以进行系统级决策，电池监视器或电量监测计上基本都会带有电池均衡功能。
 
小结
 
抛开电池监视器或电量监测计这种本身就会提供电池均衡功能的器件不说，在提供初级保护的保护IC上，保护已经不仅仅局限于过压等基础保护。随着多节锂电池的应用越来越多，大容量的电池组对保护IC的要求会越来越高，均衡功能的引入是非常有必要的。
 
均衡更像是一种维护，每次充放电都会有小额的均衡补偿，来平衡电池间的差异。不过如果电芯、电池组本身有质量缺陷，保护和均衡都是没法提升电池组品质的，并不是万能钥匙。