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(jiǎn)稱(chēng)均充，是均衡電池特性的充電，是指在電池的使用過(guò)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，以達到均衡電池組中各個(gè)電池單體特性，延長(cháng)電池使用壽命。

    均衡充電是在動(dòng)力電池充電過(guò)程的中后期，動(dòng)力電池單體電壓達到或超過(guò)截止電壓時(shí)，均衡電路開(kāi)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(guò)充電，而在放電使用中將帶來(lái)負面影響。

    在使用均衡充電時(shí)，小容量動(dòng)力電池單體沒(méi)有過(guò)充，能放出的電量小于不用均衡器時(shí)輕度過(guò)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(guò)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(guò)程中，各個(gè)鋰動(dòng)力電池單體會(huì )存在細微的差別，也就是一致性問(wèn)題，不一致性主要表現在鋰動(dòng)力電池單體容量、內阻、自放電率、充放電效率等方面。鋰動(dòng)力電池單體的不一致，傳導至鋰動(dòng)力電池組，必然的帶來(lái)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(chē)使用過(guò)程中，也會(huì )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(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(lái)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期的范圍內，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(guò)充、過(guò)放的發(fā)生。若不進(jìn)行均衡控制，隨著(zhù)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(zhù)時(shí)間的推移，在溫度等隨機因素的影響下進(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(chē)載鋰動(dòng)力電池系統的串聯(lián)數量非常多，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，也會(huì )因為位置和鋰動(dòng)力電池受熱不同出現溫度差，而這個(gè)溫度差會(huì )對鋰動(dòng)力電池壽命產(chǎn)生重大負面影響，使鋰動(dòng)力電池出現不均衡，使得續航里程下降、循環(huán)壽命縮短。正是由于這些問(wèn)題，導致整個(gè)電池系統的容量無(wú)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(huì )大大延長(cháng)電池系統的使用壽命。

    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，但鋰動(dòng)力電池單體容量跟它的開(kāi)路電壓有一一對應的關(guān)系。鋰動(dòng)力電池單體電壓是可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)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，鋰動(dòng)力電池單體電壓一致性差異過(guò)大，則直接限制了鋰動(dòng)力電池組充電電量和放電電量�；�于此，用鋰動(dòng)力電池均衡方法解決已經(jīng)處于運行狀態(tài)的鋰動(dòng)力電池組單體電壓差異過(guò)大問(wèn)題，是提高鋰動(dòng)力電池組容量，延長(cháng)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(chǎng)上采用被動(dòng)均衡的電池管理系統較多，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(chǎng)中應用，技術(shù)也較為成熟，被動(dòng)均衡結構更為簡(jiǎn)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(guò)快衰減很大的原因是因為電流不一致，個(gè)別電芯工作在過(guò)倍率工況，導致性能過(guò)快衰減。鋰動(dòng)力電池電芯溫度差異是因為發(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)系統的效率降低，基于熱管理的要求被動(dòng)均衡只能一節一節的均衡。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)均衡將導致鋰動(dòng)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(dòng)均衡產(chǎn)生的熱量，對鋰動(dòng)力電池的安全、結構設計提出了特別的要求，

 

三、被動(dòng)均衡工作原理

    被動(dòng)均衡一般通過(guò)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(guò)程中，鋰動(dòng)力電池一般有一個(gè)充電上限保護電壓值，如果充電時(shí)的電壓超過(guò)這個(gè)數值，也就是俗稱(chēng)的“過(guò)充”，鋰動(dòng)力電池就有可能燃燒或者爆炸。

    因此，鋰動(dòng)力電池保護板一般都具備過(guò)充保護功能，防止鋰動(dòng)力電池過(guò)充。即當某一串鋰動(dòng)力電池達到此電壓值后，鋰動(dòng)力電池保護板會(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(guò)程的中后期，動(dòng)力電池單體電壓達到或超過(guò)截止電壓時(shí)，均衡電路開(kāi)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(guò)充電，而在放電使用中將帶來(lái)負面影響。在使用充電均衡時(shí)，小容量動(dòng)力電池單體沒(méi)有過(guò)充，能放出的電量小于不用均衡器時(shí)輕度過(guò)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(guò)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置保護電壓值，觸發(fā)鋰動(dòng)力電池保護電路的保護機制，停止鋰動(dòng)力電池組的充電，這樣直接導致1#、3##、4鋰動(dòng)力電池無(wú)法充滿(mǎn)。整個(gè)鋰動(dòng)力電池組的滿(mǎn)充電量受限于2#鋰動(dòng)力電池，導致鋰動(dòng)力電池組不能充滿(mǎn)電。為了給鋰動(dòng)力電池組充滿(mǎn)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(guò)程中，每節鋰動(dòng)力電池都設有一個(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)穩壓均衡電路），在充電時(shí)通過(guò)均衡電路來(lái)控制每節鋰動(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)力電池均衡電路設定的電壓為4.2V，當鋰動(dòng)力電池沒(méi)有達到4.2V時(shí)，并聯(lián)穩壓電路不起作用，每節鋰動(dòng)力電池繼續充電，充電電流繼續從鋰動(dòng)力電池上通過(guò)，如圖3所示。

    當2#鋰動(dòng)力電池端電壓達到4.2V時(shí)，均衡電路開(kāi)始工作，它會(huì )把電壓一直穩定到4.2V，即充電電流不再經(jīng)過(guò)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)間也相應延長(cháng)，進(jìn)而提升整個(gè)鋰動(dòng)力電池組的電量。但2號鋰動(dòng)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(dòng)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(lián)穩壓電路的工作原理是：TL431是基準電壓，通過(guò)調節可變電阻，把電壓調節到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(guò)鋰動(dòng)力電池。如果鋰動(dòng)力電池兩端到達4.2V，TL431開(kāi)始吸收電流，Ib>0，充電電流(即Ic)通過(guò)三極管，就不通過(guò)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)達到4.2V，即這個(gè)均衡電路對應的電池已經(jīng)充滿(mǎn)電了。

 

四、基于分流電阻的均衡充電電路特性

    最簡(jiǎn)單的均衡電路就是負載消耗型均衡，也就是在每節鋰動(dòng)力電池上并聯(lián)一個(gè)電阻，串聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)做控制，當某節鋰動(dòng)力電池電壓過(guò)高時(shí)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，充電電流通過(guò)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(guò)這種方式來(lái)實(shí)現鋰動(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(lái)說(shuō)是不現實(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(cháng)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(guò)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(guò)電阻這種壓敏特性，實(shí)現鋰動(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(guò)開(kāi)關(guān)回路將電阻并聯(lián)在電芯兩端。開(kāi)關(guān)由管理系統信號觸發(fā)，當系統判斷哪個(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大于鋰動(dòng)力電池的自放電電流，才能達到均衡充電的效果。一般鋰動(dòng)力電池的自放電電流為C/20000左右，所以流過(guò)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(guò)一定次數的充放電循環(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。每個(gè)電阻的平均功率為0.72W，但是無(wú)論鋰動(dòng)力電池充電過(guò)程還是放電過(guò)程，分流電阻始終消耗功率。

    增加了通斷開(kāi)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別就是增加了一個(gè)通斷開(kāi)關(guān)，這個(gè)開(kāi)關(guān)的控制可以由控制系統軟件來(lái)實(shí)現，也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的邏輯電路來(lái)實(shí)現。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(kāi)關(guān)始終斷開(kāi)，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(kāi)關(guān)的故障率較高，需采用冗余手段。