Cypress AN2309 Manual De Usuario

AN2309 

 

 

November 25, 2007 

Document No. 001-17394 Rev. *B 

 - 3 - 

 

Temperature gradient across the battery pack. 
Temperature mismatches of 15 degrees Celsius can 
cause up to 5- percent capacity differential among cells. 
Such a temperature gradient is relatively common in 
densely packed products, where multiple heat sources 
are located close to the battery pack. An example of 
this is a laptop computer.    

The main causes of variation in cell charge levels are: 

 

Variations in self-discharge rates. Even at room 
temperature, two similar cells self-discharge at different 
rates, resulting in a mismatch. For example, one cell 
could lose 3 percent per month, while another cell loses 
a different amount. 

 

Variations in internal cell impedance. These impedance 
variations cause otherwise similar battery cells to have 
different charge acceptance levels. This error is minute 
(about 0.1 percent).  

Cell  balancing  is  achieved  by  connecting  a  parallel  load  to 
each  cell  that  must  be  balanced.  Typically,  a  series 
combination of a power transistor (MOSFET) and a current-
limiting  resistor  are  connected  in  parallel  to  each  cell.  If  a 
cell  has  a  higher  voltage  than  the  other  cells,  the  bypass 
load to the cell is connected by closing the MOSFET so that 
a  fraction  of  the  charging  current  bypasses  that  cell.  It  is 
possible to balance the cells during the discharge phase, the 
charge phase, or both phases. 

Balancing  the  charge  levels  among  cells  must  be  done 
during  the  charge  or  discharge  phase.  This  balancing 
process is simple and has been well investigated. Balancing 
the  cells’  capacity  variation  must  be  done  during  both  the 
charge and discharge phases. Cells with different capacities 
must  be  charged  or  discharged  by  using  an  absolute  value 
rather  than  a  relative  value.  The  process  of  balancing  cell 
capacity  variation  is  difficult  to  implement  in  practice  and  is 
not intuitively obvious. 

The  charge  in  dV/dQ  for  Li-Ion  batteries  has  a  maximum 
level when the cells are nearly fully charged or discharged. It 
takes  less  time  to  correct  voltage  mismatch  during  this 
period  of  complete  or  nearly  complete  charge/discharge 
than  during  the  middle  period  of  battery  charge/discharge. 
Thus,  it  is  advisable  to  perform  the  balancing  routine  when 
the cells are nearly fully charged or nearly fully discharged.  
See  also 

  on  page  14.  The  cell-

balancing technique is shown in 

 

Figure 1. Cell-Balancing Technique Schematic 

Charger,

Monitor,

Safety,

Fuel Gauge,

Cell Balance 

Software

Load

R1

R2

Q1

Q2

CELL1

CELL2

 

The  balancing  circuit  is  represented  by  (R1,  Q1)  and  (R2, 
Q2).  These  transistors  and  resistors  dissipate  energy  and 
control the amount of balancing current.  

If  cell  balancing  is  performed  during  the  charge  phase,  the 
charge  current  on  the  balanced  cells  is  reduced  on  the 
shunted  current  value  (

  and 

)  and 

remains unchanged on other cells:  

                    Equation 7                     

         Equation 8 

The value

 is the current that flows through the 

balancing circuit of the cell N, and 

 is the battery 

electro chemical potential. The value

 is the balancing 

resistor, and 

 is the transistor resistance. The value 

 is the charge current of cell N, and 

 is 

the battery pack charge current. 

If  cell  balancing  is  performed  during  the  discharge  phase, 
the current that flows through the balancing circuit depends 
on the system load resistance. If the load resistance is high, 
by  comparison  with  a  balancing  circuit  resistance,  most  of 
the discharge current flows through the balancing circuit. But 
if  the  load  resistance  is  low,  most  of  the  discharge  current 
flows through the load, making the balancing operation less 
efficient.  

The current that flows through the balancing circuit is shown 
in 

  and  the  equivalent  discharge  resistance  is 

equated as:  

(

)

     Equation 9  

The  value 

  is  the  equivalent  discharge 

resistance  of  the  balanced  cell  N,  and   

  is  the  load 

resistance.  

Components  for  the  cell-balancing  circuit  are  selected  by 
taking the following factors into account:  

 

Amount of Imbalance: This factor is described earlier 
in this section and consists of variations in capacity and 
charge level. Typically, cell imbalance is about 1 
percent. An imbalance as great as 5 percent to 15 
percent can occur only with a high temperature gradient 
or if a battery pack has been stored and not used for  a 
long period of time.