關鍵詞：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，對電池進行均衡性的充電，以達到均衡電池組中各個電池單體特性，延長電池使用壽命。

均衡充電是在動力電池充電過程的中后期，動力電池單體電壓達到或超過截止電壓時，均衡電路開始工作，減小動力電池單體電流，以期限制動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面影響。

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

2.均衡充電的必要性：

以目前的鋰動力電池制造水平和工藝，在鋰動力電池電芯在生產過程中，各個鋰動力電池單體會存在細微的差別，也就是一致性問題，不一致性主要表現在鋰動力電池單體容量、內阻、自放電率、充放電效率等方面。鋰動力電池單體的不一致，傳導至鋰動力電池組，必然的帶來了鋰動力電池組容量的損失，進而造成壽命的下降。

在組成的鋰動力電池組裝車使用過程中，也會由于自放電程度以及部位溫度等原因導致單體不一致性的現象出現，鋰動力電池單體的不一致性從而又影響鋰動力電池組的充放電特性。有研究表明，鋰動力電池單體20%的容量差異，會帶來鋰動力電池組40%的容量損失。

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

鋰動力電池單體的不一致，會隨著時間的推移，在溫度等隨機因素的影響下進一步惡化。在一般情況下，鋰動力電池的使用環境溫度高于其最佳溫度10℃時，鋰動力電池的壽命會降低一半。由于車載鋰動力電池系統的串聯數量非常多，一般在88～100串聯之間、其容量一般在20～60kWh，每串鋰動力電池裝載的位置不同而會產生溫度差。

即使在同一個動力電池箱內，也會因為位置和鋰動力電池受熱不同出現溫度差，而這個溫度差會對鋰動力電池壽命產生重大負面影響，使鋰動力電池出現不均衡，使得續航里程下降、循環壽命縮短。正是由于這些問題，導致整個電池系統的容量無法完全使用，造成電池系統損失，而減緩這樣的系統損失也就會大大延長電池系統的使用壽命。

鋰動力電池單體之間的一致性，對鋰動力電池容量的影響是最直接最重要，因鋰動力電池容量是個不能在短時間直接測量得到的參數，但鋰動力電池單體容量跟它的開路電壓有一一對應的關系。鋰動力電池單體電壓是可以實時在線測量的，這使其成為衡量鋰動力電池單體一致性水平的有利條件。在電池管理系統的管理策略中，把鋰動力電池單體電壓值作為觸發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參數，鋰動力電池單體電壓一致性差異過大，則直接限制了鋰動力電池組充電電量和放電電量。基于此，用鋰動力電池均衡方法解決已經處于運行狀態的鋰動力電池組單體電壓差異過大問題，是提高鋰動力電池組容量，延長了鋰動力電池使用壽命的有效措施。

二、被動均衡的優缺點

在鋰動力電池組均衡管理中，目前串并聯鋰動力電池組電壓均衡的方法分為被動均衡和主動均衡。通常把能量消耗型均衡定義為被動均衡，被動均衡運用電阻器，將高電壓或者高荷電量電芯的能量消耗掉，以達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均衡的電池管理系統較多，因被動均衡技術先于主動均衡在鋰動力電池市場中應用，技術也較為成熟，被動均衡結構更為簡單，使用比較廣泛。

鋰動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，其中鋰動力電池組的電壓均衡是最基本的，即指串聯鋰動力電池組中鋰動力電池單體的電壓均衡。同樣，電流均衡是指并聯鋰動力電池組中每一個鋰動力電池單體電流的均衡。

在鋰動力電池組中，鋰動力電池單體電芯性能過快衰減很大的原因是因為電流不一致，個別電芯工作在過倍率工況，導致性能過快衰減。鋰動力電池電芯溫度差異是因為發熱不一致，散熱不一致造成的。目前鋰動力電池組的溫度均衡一般采用自然風冷，強制風冷，液冷等物理辦法解決。

由于被動均衡是采用電阻耗能，會產生熱量，均衡電流較小，從而使整個系統的效率降低，基于熱管理的要求被動均衡只能一節一節的均衡。鋰動力電池對熱很敏感，是需要絕對避免外部溫度升高的。被動均衡將導致鋰動力電池組的局部受熱，另外溫度高了導致元器件的失效率上升。為此，針對被動均衡產生的熱量，對鋰動力電池的安全、結構設計提出了特別的要求，

三、被動均衡工作原理

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

因此，鋰動力電池保護板一般都具備過充保護功能，防止鋰動力電池過充。即當某一串鋰動力電池達到此電壓值后，鋰動力電池保護板會切斷充電回路，停止充電。

充電均衡是在動力電池充電過程的中后期，動力電池單體電壓達到或超過截止電壓時，均衡電路開始工作，減小動力電池單體電流，以期限制動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面影響。在使用充電均衡時，小容量動力電池單體沒有過充，能放出的電量小于不用均衡器時輕度過充所能釋放的電能，使得該動力電池單體放電時間更短，過放的可能性就更大了。

鋰動力電池組在充電時容量損失示意圖如圖1所示，在圖1中，2#鋰動力電池的端電壓首先被充電至設置保護電壓值，觸發鋰動力電池保護電路的保護機制，停止鋰動力電池組的充電，這樣直接導致1#、3##、4鋰動力電池無法充滿。整個鋰動力電池組的滿充電量受限于2#鋰動力電池，導致鋰動力電池組不能充滿電。為了給鋰動力電池組充滿電，必須在充電時采用均衡充電電路。

在鋰動力電池在充電過程中，每節鋰動力電池都設有一個均衡電路如圖2所示（每個鋰動力電池上并一個并聯穩壓均衡電路），在充電時通過均衡電路來控制每節鋰動力電池的電壓，使每一串鋰動力電池保持相同狀態，保證鋰動力電池的性能和壽命。

如果鋰動力電池均衡電路設定的電壓為4.2V，當鋰動力電池沒有達到4.2V時，并聯穩壓電路不起作用，每節鋰動力電池繼續充電，充電電流繼續從鋰動力電池上通過，如圖3所示。

當2#鋰動力電池端電壓達到4.2V時，均衡電路開始工作，它會把電壓一直穩定到4.2V，即充電電流不再經過2#鋰動力電池，如圖4所示。這樣1#、3#、4#鋰動力電池的充電時間也相應延長，進而提升整個鋰動力電池組的電量。但2號鋰動力電池放電電量100%被轉換成熱量釋放，造成了很大的浪費（2號鋰動力電池的散熱是系統的損失，也是電量的浪費）。

圖2所示并聯穩壓電路的工作原理是：TL431是基準電壓，通過調節可變電阻，把電壓調節到4.2V。如果鋰動力電池兩端小于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力電池。如果鋰動力電池兩端到達4.2V，TL431開始吸收電流，Ib>0，充電電流(即Ic)通過三極管，就不通過鋰動力電池，即不再給鋰動力電池充電了。

電路中的三個串聯的二極管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。最右邊的發光二極管有指示作用，燈亮，表示電壓已經達到4.2V，即這個均衡電路對應的電池已經充滿電了。

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載消耗型均衡，也就是在每節鋰動力電池上并聯一個電阻，串聯一個開關做控制，當某節鋰動力電池電壓過高時，打開開關，充電電流通過電阻分流，這樣電壓高的鋰動力電池充電電流小，電壓低的鋰動力電池充電電流大，通過這種方式來實現鋰動力電池電壓的均衡，但這種方式只能適用于小容量鋰動力電池，對于大容量鋰動力電池來說是不現實的。

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

另一種并聯電阻方法是通過開關回路將電阻并聯在電芯兩端。開關由管理系統信號觸發，當系統判斷哪個電芯電壓或者SOC高時，連接其并聯電阻，消耗其能量。

基于分流電阻均衡充電原理如圖5所示，即每個鋰動力電池單體上都并聯一個分流電阻，從圖5所示電路中可以看出，電阻上的分流電流必須遠大于鋰動力電池的自放電電流，才能達到均衡充電的效果。一般鋰動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，每個分流電阻的偏差也是影響均衡效果的重要因素。經過一定次數的充放電循環后，鋰動力電池單體的偏差可以用下面的公式確定：

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

若分流電阻取20Ω±0.05%，則鋰動力電池電壓偏差能夠控制在50mV范圍內。每個電阻的平均功率為0.72W，但是無論鋰動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別就是增加了一個通斷開關，這個開關的控制可以由控制系統軟件來實現，也可以通過簡單的邏輯電路來實現。采用這種控制方式的均衡電路只在鋰動力電池充電的恒壓充電段工作，其他時間通斷開關始終斷開，這樣在鋰動力電池組放電時，分流電阻不消能量。但這種電路的主要缺點是通斷開關的故障率較高，需采用冗余手段。

 

 

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