鋰電池保護(hù)板均衡問題

電池本身還有可用容量，卻因?yàn)殡姵刂g不均衡以及為保護(hù)電池設(shè)置的安全電壓的限制導(dǎo)致電池系統(tǒng)無法繼續(xù)發(fā)揮應(yīng)有的性能。另外，電池在車上的使用壽命比車輛本身的壽命短，即使車輛還沒有到達(dá)報(bào)廢年限，卻要為滿足動(dòng)力性能而更換電池。但是，更換電池的成本又相當(dāng)高，因此這在很大程度上制約了電動(dòng)汽車的發(fā)展。

造成電池不均衡最主要的原因是溫度。一般情況下，鋰離子電池的使用環(huán)境溫度高于其最佳溫度10℃時(shí)，鋰離子電池的壽命會(huì)降低一半。由于車載電池系統(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20～60?kWh，每串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)電池箱內(nèi)，也會(huì)因?yàn)槲恢煤碗姵厥軣岵煌霈F(xiàn)溫度差，而這個(gè)溫度差會(huì)對電池壽命產(chǎn)生重大負(fù)面影響，使電池出現(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。

圖1 電池系統(tǒng)損失與均衡效果

如圖1所示，電池系統(tǒng)初期容量是100%，在使用的過程中電池會(huì)因?yàn)楦鞣N原因（主要是溫度）逐漸衰減，這是鋰電池的特性。這部分的衰減無法通過均衡挽回。而造成系統(tǒng)容量下降的最主要的原因是電池容量不均衡導(dǎo)致的系統(tǒng)損失。系統(tǒng)損失并不是所有電池容量減少，而是指電池系統(tǒng)因?yàn)椴痪庠斐捎腥萘恳矡o法使用。

一般情況下，電池容量下降至70%～80%的時(shí)候會(huì)更換電池以保持續(xù)航里程，電池容量保持在70%以上的時(shí)間越長，電動(dòng)汽車的成本也就越低。在沒有均衡和一般的被動(dòng)均衡技術(shù)下，電池系統(tǒng)的容量不到3年（每天一次滿充滿放）就會(huì)下降至70%以下。做得較好的被動(dòng)均衡可以將電池容量勉強(qiáng)維持在70%。與此形成鮮明對比的是，做得較好的主動(dòng)均衡可以將系統(tǒng)損失降到最低度。這樣的主動(dòng)均衡可以有效地降低因容量不均衡導(dǎo)致的系統(tǒng)損失，進(jìn)而延長電池系統(tǒng)的使用壽命，延緩電池系統(tǒng)的更換時(shí)期，同時(shí)增加續(xù)航里程。被動(dòng)均衡與主動(dòng)均衡

在電池系統(tǒng)中擔(dān)任重要角色的鋰電池保護(hù)板作為延長電池壽命的有效手段，逐漸得到大家的重視，其中，起到關(guān)鍵作用的鋰電池保護(hù)板均衡系統(tǒng)也引起了廣泛關(guān)注。目前市場上均衡多串聯(lián)的電池系統(tǒng)有傳統(tǒng)的被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種方式。

1.被動(dòng)均衡

被動(dòng)均衡一般通過電阻放電的方式，對電壓較高的電池進(jìn)行放電，以熱量形式釋放電量，為其他電池爭取更多充電時(shí)間。這樣整個(gè)系統(tǒng)的電量受制于容量最少的電池。充電過程中，鋰電池一般有一個(gè)充電上限保護(hù)電壓值，當(dāng)某一串電池達(dá)到此電壓值后，鋰電池保護(hù)板會(huì)切斷充電回路，停止充電。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”，鋰電池就有可能燃燒或者爆炸。因此，鋰電池保護(hù)板一般都具備過充保護(hù)功能，防止電池過充。

圖2 電池保護(hù)造成系統(tǒng)損失的原因

圖3 被動(dòng)均衡充電時(shí)工作原理

如圖2所示，充電過程中2號電池先被充電至保護(hù)電壓值，觸發(fā)鋰電池保護(hù)板的保護(hù)機(jī)制，停止電池系統(tǒng)的充電，這樣直接導(dǎo)致1號、3號電池?zé)o法充滿。整個(gè)系統(tǒng)的滿充電量受限于2號電池，這就是系統(tǒng)損失。為了增加電池系統(tǒng)的電量，鋰電池保護(hù)板會(huì)在充電時(shí)均衡電池。如圖3所示，均衡啟動(dòng)后，鋰電池保護(hù)板會(huì)對2號電池進(jìn)行放電，延遲其達(dá)到保護(hù)電壓值的時(shí)間，這樣1號、3號電池的充電時(shí)間也相應(yīng)延長，進(jìn)而提升整個(gè)電池系統(tǒng)的電量。但是，2號電池放電電量100%被轉(zhuǎn)換成熱量釋放，造成了很大的浪費(fèi)（2號電池的散熱是系統(tǒng)的損失，也是電量的浪費(fèi)）。

圖4 被動(dòng)均衡放電時(shí)無法均衡

如圖4所示，除了過充對電池會(huì)有嚴(yán)重影響外，過放也會(huì)造成電池嚴(yán)重?fù)p壞。同樣，鋰電池保護(hù)板具備過放保護(hù)功能。放電時(shí)，2號電池的電壓到達(dá)放電保護(hù)值時(shí)，觸發(fā)鋰電池保護(hù)板的保護(hù)機(jī)制，停止系統(tǒng)放電，直接導(dǎo)致1號、3號電池的電池余量無法被完全使用，均衡啟動(dòng)后會(huì)改善系統(tǒng)過放。

被動(dòng)均衡的優(yōu)點(diǎn)是成本低和電路設(shè)計(jì)簡單；而缺點(diǎn)為是以最低電池殘余量為基準(zhǔn)進(jìn)行均衡，無法增加殘量少的電池的容量，及均衡電量100％以熱量形式被浪費(fèi)。

2.主動(dòng)均衡

主動(dòng)均衡是以電量轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行均衡，效率高，損失小。不同廠家的方法不同，均衡電流也從1～10?A不等。目前市場上出現(xiàn)的很多主動(dòng)均衡技術(shù)不成熟，導(dǎo)致電池過放，加速電池衰減的情況時(shí)有發(fā)生。市場上的主動(dòng)均衡大多采用變壓原理，依托于芯片廠家昂貴的芯片。并且此方式除了均衡芯片外，還需要昂貴的變壓器等周邊零部件，體積較大，成本較高。

圖5 變壓方式主動(dòng)均衡原理

如圖5所示，每6串電池為一組，取6串電池的總電量轉(zhuǎn)移給容量小的電池。電感式主動(dòng)均衡以物理轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，集成了電源開關(guān)和微型電感，采用雙向均衡方式，通過相近或相鄰電池間的電荷轉(zhuǎn)移均衡電池，并且不論電池處于放電、充電還是靜置狀態(tài)，都可以進(jìn)行均衡，均衡效率高達(dá)92%。

圖6 電感式主動(dòng)均衡充電時(shí)的工作原理

圖7 電感式主動(dòng)均衡放電時(shí)的工作原理

其放電和充電工作原理，如圖6及圖7所示，2號電池將電量轉(zhuǎn)移給1號、3號電池。高效的電荷轉(zhuǎn)移，使得充電時(shí)3個(gè)電池的電壓一直保持在均衡狀態(tài)下，這樣所有電池都能充滿。鋰電池保護(hù)板在放電時(shí)，也可均衡電池。1號、3號電池將電量轉(zhuǎn)移給2號電池，3個(gè)電池的電壓一直在均衡狀態(tài)下放電，這樣所有電池電量都能用完。