在實際應(yīng)用中，由于鋰電池單體之間的差異性，經(jīng)一段時間的充放電后發(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。針對這種情況提出了上均衡和下均衡的概念，然后對鋰電池的上、下均衡電路進(jìn)行了深入研究。實驗結(jié)果證明，幾種鋰電池均衡電路設(shè)計的正確性，為研究高性能混合動力系統(tǒng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
鎳氫電池屬于堿性電池，由于單體電壓相對較低，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。
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，是一種理想的動力性電池，所以被廣泛地應(yīng)用在移動電源、混合動力汽車、中低壓開關(guān)柜中的備用電源以及航天飛行儲能器等裝置當(dāng)中。
1、國內(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，在一些動力性場合一般采用并聯(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)。由于鋰電池對電壓非常敏感，電池組在使用時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系統(tǒng)的影響，從而達(dá)到提高電池性能和延長電池壽命的目的。它包括上均衡和下均衡兩種電路。
本文針對混合動力汽車設(shè)計了兩套電源系統(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(均衡點)。通過為國內(nèi)電動車及電動摩托車配備的均衡電路的實驗效果來看，當(dāng)均衡點取4.20V時，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，由于光耦817前級沒有開通，因此光耦后級電路也就無法工作，電池工作在正常的放電狀態(tài);當(dāng)開關(guān)閉合時，后級光耦隨前級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)計改進(jìn)型均衡電路，如圖5所示。一旦電源過充時，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。均衡一旦開始，圖中發(fā)光二極管便會發(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。
圖5改進(jìn)型TL431均衡原理圖
3、實驗結(jié)果
用具有上述功能的幾套10串鋰電池保護(hù)板驅(qū)動一臺400W直流電機(jī)進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)所有保護(hù)板在鋰電池系統(tǒng)總壓為42.5V左右時關(guān)斷充電場管進(jìn)行過壓保護(hù);在總壓為29.2V左右時關(guān)斷放電場管進(jìn)行欠壓保護(hù);將帶有保護(hù)板的鋰電池組放到檢測臺上進(jìn)行過流檢測發(fā)現(xiàn)：放電電流為39A左右時，保護(hù)板均進(jìn)行過流保護(hù);溫度開關(guān)在109°C時關(guān)斷放電回路，有效地保護(hù)了放電場管。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。
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