關(guān)鍵詞：均衡、原理、特性

一、均衡充電定義及均衡的必要性

1.均衡充電的定義：

均衡充電簡稱均充，是均衡電池特性的充電，是指在電池的使用過程中，由于電池的個(gè)體差異、溫度差異等原因造成電池端的電壓不平衡，為了避免這種不平衡趨勢的惡化，需要提高電池組的充電電壓，對電池進(jìn)行均衡性的充電，以達(dá)到均衡電池組中各個(gè)電池單體特性，延長電池使用壽命。

均衡充電是在動(dòng)力電池充電過程的中后期，動(dòng)力電池單體電壓達(dá)到或超過截止電壓時(shí)，均衡電路開始工作，減小動(dòng)力電池單體電流，以期限制動(dòng)力電池單體電壓不高于充電截止電壓。均衡充電的唯一功能是防止過充電，而在放電使用中將帶來負(fù)面影響。

在使用均衡充電時(shí)，小容量動(dòng)力電池單體沒有過充，能放出的電量小于不用均衡器時(shí)輕度過充所能釋放的電能，使得該動(dòng)力電池單體放電時(shí)間更短，過放的可能性就更大了。

2.均衡充電的必要性：

以目前的鋰動(dòng)力電池制造水平和工藝，在鋰動(dòng)力電池電芯在生產(chǎn)過程中，各個(gè)鋰動(dòng)力電池單體會(huì)存在細(xì)微的差別，也就是一致性問題，不一致性主要表現(xiàn)在鋰動(dòng)力電池單體容量、內(nèi)阻、自放電率、充放電效率等方面。鋰動(dòng)力電池單體的不一致，傳導(dǎo)至鋰動(dòng)力電池組，必然的帶來了鋰動(dòng)力電池組容量的損失，進(jìn)而造成壽命的下降。

在組成的鋰動(dòng)力電池組裝車使用過程中，也會(huì)由于自放電程度以及部位溫度等原因?qū)е聠误w不一致性的現(xiàn)象出現(xiàn)，鋰動(dòng)力電池單體的不一致性從而又影響鋰動(dòng)力電池組的充放電特性。有研究表明，鋰動(dòng)力電池單體20%的容量差異，會(huì)帶來鋰動(dòng)力電池組40%的容量損失。

鋰動(dòng)力電池均衡的意義就是利用電力電子技術(shù)，使鋰離子鋰動(dòng)力電池單體電壓或鋰動(dòng)力電池組電壓偏差保持在預(yù)期的范圍內(nèi)，從而保證每個(gè)單體鋰動(dòng)力電池在正常的使用時(shí)保持相同狀態(tài)，以避免過充、過放的發(fā)生。若不進(jìn)行均衡控制，隨著充放電循環(huán)的增加，各單體鋰動(dòng)力電池電壓逐漸分化，使用壽命將大大縮減。

鋰動(dòng)力電池單體的不一致，會(huì)隨著時(shí)間的推移，在溫度等隨機(jī)因素的影響下進(jìn)一步惡化。在一般情況下，鋰動(dòng)力電池的使用環(huán)境溫度高于其最佳溫度10℃時(shí)，鋰動(dòng)力電池的壽命會(huì)降低一半。由于車載鋰動(dòng)力電池系統(tǒng)的串聯(lián)數(shù)量非常多，一般在88～100串聯(lián)之間、其容量一般在20～60kWh，每串鋰動(dòng)力電池裝載的位置不同而會(huì)產(chǎn)生溫度差。

即使在同一個(gè)動(dòng)力電池箱內(nèi)，也會(huì)因?yàn)槲恢煤弯噭?dòng)力電池受熱不同出現(xiàn)溫度差，而這個(gè)溫度差會(huì)對鋰動(dòng)力電池壽命產(chǎn)生重大負(fù)面影響，使鋰動(dòng)力電池出現(xiàn)不均衡，使得續(xù)航里程下降、循環(huán)壽命縮短。正是由于這些問題，導(dǎo)致整個(gè)電池系統(tǒng)的容量無法完全使用，造成電池系統(tǒng)損失，而減緩這樣的系統(tǒng)損失也就會(huì)大大延長電池系統(tǒng)的使用壽命。

鋰動(dòng)力電池單體之間的一致性，對鋰動(dòng)力電池容量的影響是最直接最重要，因鋰動(dòng)力電池容量是個(gè)不能在短時(shí)間直接測量得到的參數(shù)，但鋰動(dòng)力電池單體容量跟它的開路電壓有一一對應(yīng)的關(guān)系。鋰動(dòng)力電池單體電壓是可以實(shí)時(shí)在線測量的，這使其成為衡量鋰動(dòng)力電池單體一致性水平的有利條件。在電池管理系統(tǒng)的管理策略中，把鋰動(dòng)力電池單體電壓值作為觸發(fā)條件的情況還有放電終止條件、充電終止條件等。

處于這樣位置的一個(gè)參數(shù)，鋰動(dòng)力電池單體電壓一致性差異過大，則直接限制了鋰動(dòng)力電池組充電電量和放電電量。基于此，用鋰動(dòng)力電池均衡方法解決已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)的鋰動(dòng)力電池組單體電壓差異過大問題，是提高鋰動(dòng)力電池組容量，延長了鋰動(dòng)力電池使用壽命的有效措施。

二、被動(dòng)均衡的優(yōu)缺點(diǎn)

在鋰動(dòng)力電池組均衡管理中，目前串并聯(lián)鋰動(dòng)力電池組電壓均衡的方法分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。通常把能量消耗型均衡定義為被動(dòng)均衡，被動(dòng)均衡運(yùn)用電阻器，將高電壓或者高荷電量電芯的能量消耗掉，以達(dá)到減小不同電芯之間差距的目的，是一種能量消耗型均衡。目前市場上采用被動(dòng)均衡的電池管理系統(tǒng)較多，因被動(dòng)均衡技術(shù)先于主動(dòng)均衡在鋰動(dòng)力電池市場中應(yīng)用，技術(shù)也較為成熟，被動(dòng)均衡結(jié)構(gòu)更為簡單，使用比較廣泛。

鋰動(dòng)力電池組的均衡管理包含了電壓均衡、電流均衡和溫度均衡，其中鋰動(dòng)力電池組的電壓均衡是最基本的，即指串聯(lián)鋰動(dòng)力電池組中鋰動(dòng)力電池單體的電壓均衡。同樣，電流均衡是指并聯(lián)鋰動(dòng)力電池組中每一個(gè)鋰動(dòng)力電池單體電流的均衡。

在鋰動(dòng)力電池組中，鋰動(dòng)力電池單體電芯性能過快衰減很大的原因是因?yàn)殡娏鞑灰恢拢瑐€(gè)別電芯工作在過倍率工況，導(dǎo)致性能過快衰減。鋰動(dòng)力電池電芯溫度差異是因?yàn)榘l(fā)熱不一致，散熱不一致造成的。目前鋰動(dòng)力電池組的溫度均衡一般采用自然風(fēng)冷，強(qiáng)制風(fēng)冷，液冷等物理辦法解決。

由于被動(dòng)均衡是采用電阻耗能，會(huì)產(chǎn)生熱量，均衡電流較小，從而使整個(gè)系統(tǒng)的效率降低，基于熱管理的要求被動(dòng)均衡只能一節(jié)一節(jié)的均衡。鋰動(dòng)力電池對熱很敏感，是需要絕對避免外部溫度升高的。被動(dòng)均衡將導(dǎo)致鋰動(dòng)力電池組的局部受熱，另外溫度高了導(dǎo)致元器件的失效率上升。為此，針對被動(dòng)均衡產(chǎn)生的熱量，對鋰動(dòng)力電池的安全、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了特別的要求，

三、被動(dòng)均衡工作原理

被動(dòng)均衡一般通過電阻放電的方式，對電壓較高的鋰動(dòng)力電池進(jìn)行放電，以熱量形式釋放電量，為其他鋰動(dòng)力電池爭取更多充電時(shí)間。在充電過程中，鋰動(dòng)力電池一般有一個(gè)充電上限保護(hù)電壓值，如果充電時(shí)的電壓超過這個(gè)數(shù)值，也就是俗稱的“過充”，鋰動(dòng)力電池就有可能燃燒或者爆炸。

因此，鋰動(dòng)力電池保護(hù)板一般都具備過充保護(hù)功能，防止鋰動(dòng)力電池過充。即當(dāng)某一串鋰動(dòng)力電池達(dá)到此電壓值后，鋰動(dòng)力電池保護(hù)板會(huì)切斷充電回路，停止充電。

充電均衡是在動(dòng)力電池充電過程的中后期，動(dòng)力電池單體電壓達(dá)到或超過截止電壓時(shí)，均衡電路開始工作，減小動(dòng)力電池單體電流，以期限制動(dòng)力電池單體電壓不高于充電截止電壓。充電均衡的唯一功能是防止過充電，而在放電使用中將帶來負(fù)面影響。在使用充電均衡時(shí)，小容量動(dòng)力電池單體沒有過充，能放出的電量小于不用均衡器時(shí)輕度過充所能釋放的電能，使得該動(dòng)力電池單體放電時(shí)間更短，過放的可能性就更大了。

鋰動(dòng)力電池組在充電時(shí)容量損失示意圖如圖1所示，在圖1中，2#鋰動(dòng)力電池的端電壓首先被充電至設(shè)置保護(hù)電壓值，觸發(fā)鋰動(dòng)力電池保護(hù)電路的保護(hù)機(jī)制，停止鋰動(dòng)力電池組的充電，這樣直接導(dǎo)致1#、3##、4鋰動(dòng)力電池?zé)o法充滿。整個(gè)鋰動(dòng)力電池組的滿充電量受限于2#鋰動(dòng)力電池，導(dǎo)致鋰動(dòng)力電池組不能充滿電。為了給鋰動(dòng)力電池組充滿電，必須在充電時(shí)采用均衡充電電路。

在鋰動(dòng)力電池在充電過程中，每節(jié)鋰動(dòng)力電池都設(shè)有一個(gè)均衡電路如圖2所示（每個(gè)鋰動(dòng)力電池上并一個(gè)并聯(lián)穩(wěn)壓均衡電路），在充電時(shí)通過均衡電路來控制每節(jié)鋰動(dòng)力電池的電壓，使每一串鋰動(dòng)力電池保持相同狀態(tài)，保證鋰動(dòng)力電池的性能和壽命。

如果鋰動(dòng)力電池均衡電路設(shè)定的電壓為4.2V，當(dāng)鋰動(dòng)力電池沒有達(dá)到4.2V時(shí)，并聯(lián)穩(wěn)壓電路不起作用，每節(jié)鋰動(dòng)力電池繼續(xù)充電，充電電流繼續(xù)從鋰動(dòng)力電池上通過，如圖3所示。

當(dāng)2#鋰動(dòng)力電池端電壓達(dá)到4.2V時(shí)，均衡電路開始工作，它會(huì)把電壓一直穩(wěn)定到4.2V，即充電電流不再經(jīng)過2#鋰動(dòng)力電池，如圖4所示。這樣1#、3#、4#鋰動(dòng)力電池的充電時(shí)間也相應(yīng)延長，進(jìn)而提升整個(gè)鋰動(dòng)力電池組的電量。但2號(hào)鋰動(dòng)力電池放電電量100%被轉(zhuǎn)換成熱量釋放，造成了很大的浪費(fèi)（2號(hào)鋰動(dòng)力電池的散熱是系統(tǒng)的損失，也是電量的浪費(fèi)）。

圖2所示并聯(lián)穩(wěn)壓電路的工作原理是：TL431是基準(zhǔn)電壓，通過調(diào)節(jié)可變電阻，把電壓調(diào)節(jié)到4.2V。如果鋰動(dòng)力電池兩端小于4.2V，TL431不吸收電流，即下面的Ib=0，所以Ic=0，三極管截止，充電電流就還是通過鋰動(dòng)力電池。如果鋰動(dòng)力電池兩端到達(dá)4.2V，TL431開始吸收電流，Ib>0，充電電流(即Ic)通過三極管，就不通過鋰動(dòng)力電池，即不再給鋰動(dòng)力電池充電了。

電路中的三個(gè)串聯(lián)的二極管IN4001是起分壓作用的，可以減少散耗在三極管TIP42上的功率。如果不接這三個(gè)二極管IN4001，那么三極管TIP42上散耗的功率：P=4.2V×充電電流，加上二極管IN4001后，P=（4.2V-3×0.7V）×充電電流。最右邊的發(fā)光二極管有指示作用，燈亮，表示電壓已經(jīng)達(dá)到4.2V，即這個(gè)均衡電路對應(yīng)的電池已經(jīng)充滿電了。

四、基于分流電阻的均衡充電電路特性

最簡單的均衡電路就是負(fù)載消耗型均衡，也就是在每節(jié)鋰動(dòng)力電池上并聯(lián)一個(gè)電阻，串聯(lián)一個(gè)開關(guān)做控制，當(dāng)某節(jié)鋰動(dòng)力電池電壓過高時(shí)，打開開關(guān)，充電電流通過電阻分流，這樣電壓高的鋰動(dòng)力電池充電電流小，電壓低的鋰動(dòng)力電池充電電流大，通過這種方式來實(shí)現(xiàn)鋰動(dòng)力電池電壓的均衡，但這種方式只能適用于小容量鋰動(dòng)力電池，對于大容量鋰動(dòng)力電池來說是不現(xiàn)實(shí)的。

在鋰動(dòng)力電池電芯兩端并聯(lián)電阻，讓電阻消耗掉部分鋰動(dòng)力電池能量，并聯(lián)電阻有兩種形式，一種是固定連接，電阻長期并聯(lián)在鋰動(dòng)力電池兩端，鋰動(dòng)力電池電芯電壓高時(shí)，通過電阻的電流大，消耗的電量多，鋰動(dòng)力電池電壓低時(shí)，電阻消耗電量小。通過電阻這種壓敏特性，實(shí)現(xiàn)鋰動(dòng)力電池端電壓的均衡。這是個(gè)理論上可行的方法，實(shí)際很少使用。

另一種并聯(lián)電阻方法是通過開關(guān)回路將電阻并聯(lián)在電芯兩端。開關(guān)由管理系統(tǒng)信號(hào)觸發(fā)，當(dāng)系統(tǒng)判斷哪個(gè)電芯電壓或者SOC高時(shí)，連接其并聯(lián)電阻，消耗其能量。

基于分流電阻均衡充電原理如圖5所示，即每個(gè)鋰動(dòng)力電池單體上都并聯(lián)一個(gè)分流電阻，從圖5所示電路中可以看出，電阻上的分流電流必須遠(yuǎn)大于鋰動(dòng)力電池的自放電電流，才能達(dá)到均衡充電的效果。一般鋰動(dòng)力電池的自放電電流為C/20000左右，所以流過分流電阻上的電流取C/200是比較合適的。另外，每個(gè)分流電阻的偏差也是影響均衡效果的重要因素。經(jīng)過一定次數(shù)的充放電循環(huán)后，鋰動(dòng)力電池單體的偏差可以用下面的公式確定：

式中：VC為鋰動(dòng)力電池電壓偏差；R為分流電阻；I為鋰動(dòng)力電池自放電電流；VD為鋰動(dòng)力電池單體電壓；K為電阻偏差。

若分流電阻取20Ω±0.05%，則鋰動(dòng)力電池電壓偏差能夠控制在50mV范圍內(nèi)。每個(gè)電阻的平均功率為0.72W，但是無論鋰動(dòng)力電池充電過程還是放電過程，分流電阻始終消耗功率。

增加了通斷開關(guān)的基于分流電阻均衡充電原理如圖6所示，通斷分流電阻均衡充電與電阻分流均衡充電的區(qū)別就是增加了一個(gè)通斷開關(guān)，這個(gè)開關(guān)的控制可以由控制系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)，也可以通過簡單的邏輯電路來實(shí)現(xiàn)。采用這種控制方式的均衡電路只在鋰動(dòng)力電池充電的恒壓充電段工作，其他時(shí)間通斷開關(guān)始終斷開，這樣在鋰動(dòng)力電池組放電時(shí)，分流電阻不消能量。但這種電路的主要缺點(diǎn)是通斷開關(guān)的故障率較高，需采用冗余手段。

 

 

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