鋰動(dòng)力電池均衡電路被動(dòng)均衡是如何工作的?

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(chǎng)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(chǎng)中應(yīng)用，技術(shù)也較為成熟，被動(dòng)均衡結(jié)構(gòu)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?yàn)殡娏鞑灰恢拢瑐€(gè)別電芯工作在過(guò)倍率工況，導(dǎo)致性能過(guò)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(duì)熱很敏感，是需要絕對(duì)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(duì)被動(dòng)均衡產(chǎn)生的熱量，對(duì)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。

被動(dòng)均衡一般通過(guò)電阻放電的方式，對(duì)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(zhēng)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(hù)電壓值，如果充電時(shí)的電壓超過(guò)這個(gè)數(shù)值，也就是俗稱的“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(hù)板一般都具備過(guò)充保護(hù)功能，防止鋰動(dòng)力電池過(guò)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(guò)程的中后期，動(dòng)力電池單體電壓達(dá)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(fù)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(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，必須在因在充電時(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(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(guò)均衡電路來(lái)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(méi)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(guò)，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(kāi)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(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(yīng)延長(zhǎng)，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(guò)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(guò)鋰動(dòng)力電池。如果鋰動(dòng)力電池兩端到達(dá)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(dá)到4.2V，即這個(gè)均衡電路對(duì)應(yīng)的電池已經(jīng)充滿電了。
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