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)。

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)。

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，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。

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。

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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圖1改進(jìn)型保護(hù)電路

2.1、TL431均衡電路

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=68k!，R2=100k!，R3=4.3k!。

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圖2TL431上均衡原理圖

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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圖3TL431下均衡原理圖

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)。

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。

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圖4并聯(lián)型TL431下均衡原理圖

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)板的上均衡點(diǎn)。

圖5改進(jìn)型TL431均衡原理圖

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。