??? 摘 要： 在實(shí)際應(yīng)用中，由于鋰電池單體之間的差異性，經(jīng)一段時(shí)間的充放電" title="充放電">充放電后發(fā)現(xiàn)各單體電池上、下限電壓出現(xiàn)參差不齊的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的性能。針對(duì)這種情況提出了上均衡和下均衡的概念，然后對(duì)鋰電池的上、下均衡電路" title="均衡電路">均衡電路進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，幾種鋰電池均衡電路設(shè)計(jì)的正確性，為研究高性能混合動(dòng)力系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
??? 關(guān)鍵詞： 混合電動(dòng)汽車? 鋰電池保護(hù)? 均衡電路
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??? 現(xiàn)今用于儲(chǔ)能裝置中的動(dòng)力性電池有：鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。
??? 鉛酸電池由于含有有毒物質(zhì)鉛，且其具有能量密度低，充放電壽命短、廢棄物難處理等缺點(diǎn)，基本上已被未來的儲(chǔ)能系統(tǒng)所淘汰[1]。
??? 鎳氫電池屬于堿性電池，由于單體電壓相對(duì)較低，且有“記憶效應(yīng)”，定期的大規(guī)模放電是必須的，這在很大程度上加重了電源管理系統(tǒng)的任務(wù)。其次，其還具有自放電率高（10%～15%）的缺點(diǎn)[2-3]。
??? 與其他電池相比，鋰離子電池具有功率密度高（800W/Kg）、單體電壓高（平均電壓為3.6V）、不污染環(huán)境、自放電率低(約為3%～5%)，沒有“記憶效應(yīng)”等特點(diǎn)，是一種理想的動(dòng)力性電池[4]，所以被廣泛地應(yīng)用在移動(dòng)電源、混合動(dòng)力汽車、中低壓開關(guān)柜中的備用電源以及航天飛行儲(chǔ)能器等裝置當(dāng)中。
1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有鋰電池保護(hù)電路" title="保護(hù)電路">保護(hù)電路的缺陷
??? 鋰電池單體平均電壓只有3.6V，放電電流也有一定的要求。為了提高系統(tǒng)的電流和電壓等級(jí)，在一些動(dòng)力性場(chǎng)合一般采用并聯(lián)后再串聯(lián)組成大電流大電壓鋰電池組作為能源系統(tǒng)。由于鋰電池對(duì)電壓非常敏感，電池組在使用時(shí)一般要增加一定的保護(hù)電路。參看國(guó)內(nèi)大部分動(dòng)力性鋰電池保護(hù)電路發(fā)現(xiàn)，其保護(hù)電路相當(dāng)簡(jiǎn)單，一般只包括過壓/欠壓/過流/短路保護(hù)等。在一般使用條件下，這個(gè)電池組可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行正常的充電和放電。但是，把帶有此保護(hù)電路的鋰電池組用于混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)當(dāng)中，經(jīng)過一個(gè)階段的大電流放電和充電后，發(fā)現(xiàn)各個(gè)單體之間的上限電壓和下限電壓出現(xiàn)嚴(yán)重的不一致：有的電池單體在其他電池電壓" title="電池電壓">電池電壓還處于正常充電條件時(shí)，由于自身電壓達(dá)到了上限保護(hù)門檻而關(guān)閉充電通道，致使整個(gè)能量系統(tǒng)總壓達(dá)不到預(yù)定要求；有的電池單體在其他電池電壓還處于正常放電條件時(shí)，由于自身電壓達(dá)到了下限保護(hù)門檻電壓而關(guān)閉放電通道，致使整個(gè)能源系統(tǒng)不能完全放電。上述兩種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了能源系統(tǒng)的性能，對(duì)電池進(jìn)行均衡控制是解決上述現(xiàn)象最有效的辦法。
2 改進(jìn)型鋰電池保護(hù)電路原理
??? 均衡電路是指人為加入的硬件電路，它可以使整個(gè)電池組的單體上限電壓之間或單體下限電壓之間保持一致性，從而有效地保護(hù)電池的上限充電電壓和下限放電電壓，從根本上降低電池對(duì)系統(tǒng)的影響，從而達(dá)到提高電池性能和延長(zhǎng)電池壽命的目的。它包括上均衡和下均衡兩種電路，顧名思義，它們分別保護(hù)電池上限電壓和電池下限電壓。
??? 本文針對(duì)混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)了兩套電源系統(tǒng)：3串鋰電池保護(hù)系統(tǒng)（最高電壓為12.75V，平均放電電壓為10.8V）和10串鋰電池保護(hù)系統(tǒng)（最高電壓為42.5V，平均放電電壓為36V），放電電流分別為10A和40A。系統(tǒng)原理如圖1所示，即在其基本保護(hù)電路（過壓/欠壓/過溫/過流/短路保護(hù)）的基礎(chǔ)上加入了上、下均衡電路。
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2.1 TL431均衡電路
??? TL431為一并聯(lián)型三端穩(wěn)壓管，其基本特性可參閱參考文獻(xiàn)[5]，本文利用其基于特性設(shè)計(jì)的上均衡電路如圖2所示。調(diào)節(jié)R1、R2、R3的阻值，當(dāng)電源電壓超過某一設(shè)定值時(shí)便開通TL431，通過功率電阻R*耗能來降低電池的電壓，使其達(dá)到一固定點(diǎn)（均衡點(diǎn)）。通過為國(guó)內(nèi)電動(dòng)車及電動(dòng)摩托車配備的均衡電路的實(shí)驗(yàn)效果來看，當(dāng)均衡點(diǎn)取4.20V時(shí)，電阻的取值分別為：R1=68kΩ，R2=100kΩ，R3=4.3kΩ。
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??? 基于TL431的下均衡電路如圖3所示。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于光耦817前級(jí)沒有開通，因此光耦后級(jí)電路也就無法工作，電池工作在正常的放電狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，后級(jí)光耦隨前級(jí)光耦的開通也相繼開通，電路通過功耗電阻R18耗能來降低電池電壓直到保護(hù)芯片送出低電平給保護(hù)芯片，迫使電池電壓穩(wěn)定在其下限限制電壓Vmin，從而達(dá)到下均衡的目的。
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??? 從上述均衡的電路原理可以看出，電路的均衡電流不能超過TL431的上限保護(hù)電流（70mA左右）。由于受均衡能力的限制，無法應(yīng)用于大電流充放電的電路當(dāng)中。為了增加電路的均衡能力而又不損害TL431，可以采用并聯(lián)TL431的辦法。
2.2 并聯(lián)型TL431均衡電路
??? 并聯(lián)型TL431下均衡電路如圖4所示。其原理與圖3類似，只是通過并聯(lián)TL431的方法來達(dá)到擴(kuò)大均衡電流的目的。在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，由于TL431特性之間有微小的差異，使得兩路均衡電流不完全一致。為了減少上述現(xiàn)象的發(fā)生，一般采用篩選配對(duì)TL431的方法來完善上述電路，這無疑加大了生產(chǎn)的工作量。
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2.3 改進(jìn)型TL431均衡電路
??? 為了增加電路的均衡能力，同時(shí)減少生產(chǎn)中篩選TL431的工作量，本文借助中功率三極管8550設(shè)計(jì)改進(jìn)型均衡電路，如圖5所示。一旦電源過充時(shí)，TL431便開通，8550的發(fā)射PN結(jié)由于承受正壓而開通，功耗電阻便消耗電池電能，直至把電池電壓拖到均衡點(diǎn)。均衡一旦開始，圖中發(fā)光二極管便會(huì)發(fā)光，起工作指示作用。通過調(diào)節(jié)圖中R1、R2、R3的阻值，便可以設(shè)置保護(hù)板" title="保護(hù)板">保護(hù)板的上均衡點(diǎn)。圖中R1、R2、R3阻值相對(duì)較大，在TL431關(guān)閉后對(duì)均衡點(diǎn)影響較小，可忽略不計(jì)。下均衡電路也如圖5所示，只是改變一下R1、R2、R3的相應(yīng)阻值。
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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
??? 用具有上述功能的幾套10串鋰電池保護(hù)板驅(qū)動(dòng)一臺(tái)400W直流電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所有保護(hù)板在鋰電池系統(tǒng)總壓為42.5V左右時(shí)關(guān)斷充電場(chǎng)管進(jìn)行過壓保護(hù)；在總壓為29.2V左右時(shí)關(guān)斷放電場(chǎng)管進(jìn)行欠壓保護(hù)；將帶有保護(hù)板的鋰電池組放到檢測(cè)臺(tái)上進(jìn)行過流檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：放電電流為39A左右時(shí)，保護(hù)板均進(jìn)行過流保護(hù)；溫度開關(guān)在109°C時(shí)關(guān)斷放電回路，有效地保護(hù)了放電場(chǎng)管。上述數(shù)據(jù)表明，電路基本上滿足了過壓/欠壓/過流/過溫保護(hù)等基本要求。
??? 經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間來回充放電實(shí)驗(yàn)后，采集有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，可以得到有、無均衡電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形對(duì)比如下：帶有上均衡電路的鋰電池組1和鋰電池組2各電池上限電壓變化如圖6和圖7所示；無上均衡保護(hù)的鋰電池組3各電池上限電壓變化如圖8所示；帶有下均衡保護(hù)的鋰電池組4和鋰電池組5各電池下限電壓變化如圖9和圖10所示，無均衡電路的鋰電池組6各電池下限電壓變化如圖11所示。圖中所有曲線1各點(diǎn)為第一次測(cè)得的電池上限（下限）電壓值、曲線2各點(diǎn)為長(zhǎng)期運(yùn)行后測(cè)得的電池上限（下限）電壓值。
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??? 從圖6、圖7和圖8的數(shù)據(jù)圖形對(duì)比可以看出：上均衡電路的加入使得電池的上限電壓均保持在均衡點(diǎn)4.22V和4.18V左右，有效地保護(hù)了電池的上限電壓，無均衡電路的電池上限電壓則顯得雜亂無章；從圖9、圖10和圖11的數(shù)據(jù)圖形對(duì)比可以看出：下均衡電路的加入使得電池的下限電壓均保持在下均衡點(diǎn)2.91V左右，有效地保護(hù)了電池的下限電壓，無均衡電路的電池下限電壓則顯得雜亂無章，嚴(yán)重?fù)p害了電池性質(zhì)的一致性和壽命。
??? 本文從工程實(shí)踐出發(fā)，針對(duì)動(dòng)力性鋰電池在高倍率放電一個(gè)階段后所出現(xiàn)的上下限電壓參差不齊的現(xiàn)象，提出了基于TL431的均衡電路，并對(duì)鋰電池的均衡電路進(jìn)行了深入研究。實(shí)踐結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的上均衡電路和下均衡電路不僅保證了電池高倍率放電后電池電量一致性的要求，而且還有效地保護(hù)了電池的上下限電壓，為進(jìn)一步研究高性能的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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[3]? 劉金玲.并聯(lián)混合動(dòng)力客車控制策略研究[D]. 北京：清華大學(xué)碩士論文，2005.
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