平衡鉛酸電池

2021-01-07 電子產品世界

鉛酸電池在眾多的行業和應用中得到了廣泛的使用。電信業採用一個由 4 節鉛酸電池組成的串聯堆棧來提供 48V 電池組。能量存儲解決方案 (ESS) 使用多種串聯和並聯配置的鉛酸電池來存儲由風和太陽等可再生能源所產生的能量。在 UPS (不間斷電源) 行業中大量地採用了串接式鉛酸電池，以在失去主電源時提供後備電源。高爾夫球車及其他工業電動車輛通常利用一個串接式鉛酸電池組來供電。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/387086.htm

在上面提到的所有例子中，都是把兩個或更多的鉛酸電池串接起來使用。當電池組中的某個鉛酸電池發生故障時，將需要更換串聯堆棧中的所有鉛酸電池以保持電池組的性能。這是一筆相當可觀的費用。

當電池製造完成時，它們符合針對能量容量、ESR (有效串聯電阻)、漏電流和放電循環次數等諸多參數的嚴格指標，旨在確保質量、保證最低壽命和滿足各種標準。此外，這些規格指標僅適用於單個電池。由於製造工藝中的限制因素，電池規格中存在變化，而且當多個電池串聯堆疊時這些規格指標不再適用於電池組。由於漏電流不相等，因此串聯連接的電池將隨時間而發生漂移，個別電池的容量有可能隨著時間的推移而改變。極端的工作條件和頻繁的放電循環將使此類問題進一步加劇，從而最終導致電池組中的某節電池出現故障。此時，整個電池組被視為失效，且必需更換電池組中所有的電池。只更換那節失效電池本身並不能解決問題，因為替換的電池其特性將與電池組中的其他電池存在很大的差異，這將造成電池組故障。這個問題對於採用任何化學組成電池製成的電池組都存在，並不僅限於鉛酸電池。

在大多數串接式電池組中，僅測量電池組頂端的電壓，並假定電池組中的電池是匹配的，因此它們均等地共享電荷。圖 1 描繪了一幅場景：電池組頂端電壓被設置為 53.2V，但是個別電池的電壓是未知的，且可能並非都是 13.6V。由於並不是電池組的所有電池都將均勻地分享電荷，所以電池組中的某些電池也許嚴重地過度充電，而與此同時其中的某個電池則或許處於充電不足的狀態。鉛酸電池過度充電和充電不足都會導致電池壽命的縮短。

圖 1：電池組頂端電壓並非均勻地分配在電池組中的各個電池上

如果對鉛酸電池進行過度充電，則導致電解液分解成氧氣和氫氣，從而使電池中的電解液液面下降。這會產生兩個影響。電解液中的硫酸濃度增加，這將損壞電池極板並縮短電池壽命。而且，由於電解液液面下降，一部分極板現在暴露於空氣之中，因而引發極板氧化並降低電池容量。密封型鉛酸 (SLA) 電池和凝膠電池對過度充電是特別敏感，因為任何失去的電解液都是無法替代的。鉛酸電池充電不足會引起極板硫酸化，在此過程中硫酸與極板發生化學反應而形成了硫酸鉛晶體。這降低了電池接受滿充電的能力，充電不足的情況因此進一步地惡化。這將導致電池過早地失效。

為了延長電池組的壽命，需要對電池組中的個別電池進行平衡。傳統的觀點是：對串聯式鉛酸電池組進行過度充電可實現電池組中個別電池的平衡，從理論上講這有助於延長電池壽命。然而，此種方法是有缺陷的。

唯一能確保電池組中所有電池處於相同電壓的方法是採用一種平衡解決方案，其將使過度充電的電池釋放出多餘的電荷，而向充電不足的電池輸送額外的電荷。有效的電池平衡解決方案需要一個開關網絡，該網絡可用於把電荷從一個電池移動至另一個電池以實現電池組的平衡。控制電路很複雜，而且分立式實施方案體積龐大且價格昂貴。LTC3305 鉛酸電池平衡器是業界首創、而且是僅有的一款主動鉛酸電池平衡器，該器件可使串接式電池組中的個別電池達到彼此平衡的狀態。

圖 2a 示出了一款應用電路，其中單個 LTC3305 用於對四個串接式鉛酸電池實施平衡。電池組中的每節電池單獨且順序地與一個輔助電池相併聯，該輔助電池採用了一個由 10 個外部低 RDS(ON) NMOS 電晶體組成且受控於 LTC3305 的網絡。如果電壓不同，那麼電流將在合適的方向上流動，直到電池組中個別電池的電壓與輔助電池的電壓相等為止。LTC3305 隨後換向至電池組中的下一節電池。該續發事件將持續 (1、2、3、4、1、2、3、4)，直至電池組中所有電池 (和輔助電池) 的電壓均被平衡至一個規定的門限之內，如圖 2b 中的曲線所示。在任何連接期間所允許流動之電流的最大值受限於一個外部正溫度係數 (NTC) 熱敏電阻元件。

圖 2：完整的四電池平衡器

LTC3305 提供了兩種操作模式 (可通過 MODE 引腳來設置) 和四種終止門限 (可通過 TERM1 和 TERM2 引腳來編程)。另外，LTC3305 還具有過壓和欠壓比較器，這些比較器負責監視電池電壓，並在電池電壓超過編程門限時報告故障。欠壓和過壓門限可分別採用 VL 和 VH 引腳 (連同 ISET 引腳) 來設置。

可把多個 LTC3305 器件堆疊起來以平衡包含四個以上串接式鉛酸電池的電池組。在圖 3 中，採用了三個 LTC3305 器件來平衡一個電池組中多達 10 節的電池。每個 LTC3305 需要其自己的輔助電池以執行平衡操作。

圖 3：可把多個 LTC3305 器件堆疊起來以平衡四個以上串接式電池

採用 LTC3305 來平衡鉛酸電池還擁有其他的好處。低電壓電路可從電池組的中間節點來供電，並不會在電池組中產生不平衡，如圖 4 所示。這有助於降低解決方案成本，因為分立式組件和 IC 的成本是隨額定電壓而調節的。輔助電池的容量對電池組容量起到了補充作用，從而延長了運行時間。

圖 4：低電壓電路可從中間節點來供電

總之，鉛酸電池組將從實施電荷平衡當中受益。經過平衡的電池組可幫助將電池組的運行時間延長至超過電池組中最低容量電池的運行時間。而且，電池壽命也延長了，從而降低了因故障而更換電池組中電池所產生的費用。由 LTC3305 提供的完整鉛酸電池平衡解決方案僅需極少的設計工作量即可實現電池組的平衡。


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