解析锂动力电池均衡必要性及被动均衡充电电路特性
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[摘要]本文在简介了均衡充电定义及均衡必要性的基础上，重点论述了被动均衡的优缺点、被动均衡工作原理及基于分流电阻的均衡充电电路特性。
一、均衡充电定义及均衡的必要性
1.均衡充电的定义：
均衡充电简称均充，是均衡电池特性的充电，是指在电池的使用过程中，由于电池的个体差异、温度差异等原因造成电池端的电压不平衡，为了避免这种不平衡趋势的恶化，需要提高电池组的充电电压，对电池进行均衡性的充电，以达到均衡电池组中各个电池单体特性，延长电池使用寿命。
均衡充电是在动力电池充电过程的中后期，动力电池单体电压达到或超过截止电压时，均衡电路开始工作，减小动力电池单体电流，以期限制动力电池单体电压不高于充电截止电压。均衡充电的唯一功能是防止过充电，而在放电使用中将带来负面影响。
在使用均衡充电时，小容量动力电池单体没有过充，能放出的电量小于不用均衡器时轻度过充所能释放的电能，使得该动力电池单体放电时间更短，过放的可能性就更大了。
2.均衡充电的必要性：
以目前的锂动力电池制造水平和工艺，在锂动力电池电芯在生产过程中，各个锂动力电池单体会存在细微的差别，也就是一致性问题，不一致性主要表现在锂动力电池单体容量、内阻、自放电率、充放电效率等方面。锂动力电池单体的不一致，传导至锂动力电池组，必然的带来了锂动力电池组容量的损失，进而造成寿命的下降。
在组成的锂动力电池组装车使用过程中，也会由于自放电程度以及部位温度等原因导致单体不一致性的现象出现，锂动力电池单体的不一致性从而又影响锂动力电池组的充放电特性。有研究表明，锂动力电池单体20%的容量差异，会带来锂动力电池组40%的容量损失。
锂动力电池均衡的意义就是利用电力电子技术，使锂离子锂动力电池单体电压或锂动力电池组电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体锂动力电池在正常的使用时保持相同状态，以避免过充、过放的发生。若不进行均衡控制，随着充放电循环的增加，各单体锂动力电池电压逐渐分化，使用寿命将大大缩减。
锂动力电池单体的不一致，会随着时间的推移，在温度等随机因素的影响下进一步恶化。在一般情况下，锂动力电池的使用环境温度高于其最佳温度10℃时，锂动力电池的寿命会降低一半。由于车载锂动力电池系统的串联数量非常多，一般在88～100串联之间、其容量一般在20～60kWh，每串锂动力电池装载的位置不同而会产生温度差。
即使在同一个动力电池箱内，也会因为位置和锂动力电池受热不同出现温度差，而这个温度差会对锂动力电池寿命产生重大负面影响，使锂动力电池出现不均衡，使得续航里程下降、循环寿命缩短。正是由于这些问题，导致整个电池系统的容量无法完全使用，造成电池系统损失，而减缓这样的系统损失也就会大大延长电池系统的使用寿命。
锂动力电池单体之间的一致性，对锂动力电池容量的影响是最直接最重要，因锂动力电池容量是个不能在短时间直接测量得到的参数，但锂动力电池单体容量跟它的开路电压有一一对应的关系。锂动力电池单体电压是可以实时在线测量的，这使其成为衡量锂动力电池单体一致性水平的有利条件。在电池管理系统的管理策略中，把锂动力电池单体电压值作为触发条件的情况还有放电终止条件、充电终止条件等。
处于这样位置的一个参数，锂动力电池单体电压一致性差异过大，则直接限制了锂动力电池组充电电量和放电电量。基于此，用锂动力电池均衡方法解决已经处于运行状态的锂动力电池组单体电压差异过大问题，是提高锂动力电池组容量，延长了锂动力电池使用寿命的有效措施。
二、被动均衡的优缺点
在锂动力电池组均衡管理中，目前串并联锂动力电池组电压均衡的方法分为被动均衡和主动均衡。通常把能量消耗型均衡定义为被动均衡，被动均衡运用电阻器，将高电压或者高荷电量电芯的能量消耗掉，以达到减小不同电芯之间差距的目的，是一种能量消耗型均衡。目前市场上采用被动均衡的电池管理系统较多，因被动均衡技术先于主动均衡在锂动力电池市场中应用，技术也较为成熟，被动均衡结构更为简单，使用比较广泛。
锂动力电池组的均衡管理包含了电压均衡、电流均衡和温度均衡，其中锂动力电池组的电压均衡是最基本的，即指串联锂动力电池组中锂动力电池单体的电压均衡。同样，电流均衡是指并联锂动力电池组中每一个锂动力电池单体电流的均衡。
在锂动力电池组中，锂动力电池单体电芯性能过快衰减很大的原因是因为电流不一致，个别电芯工作在过倍率工况，导致性能过快衰减。锂动力电池电芯温度差异是因为发热不一致，散热不一致造成的。目前锂动力电池组的温度均衡一般采用自然风冷，强制风冷，液冷等物理办法解决。
由于被动均衡是采用电阻耗能，会产生热量，均衡电流较小，从而使整个系统的效率降低，基于热管理的要求被动均衡只能一节一节的均衡。锂动力电池对热很敏感，是需要绝对避免外部温度升高的。被动均衡将导致锂动力电池组的局部受热，另外温度高了导致元器件的失效率上升。为此，针对被动均衡产生的热量，对锂动力电池的安全、结构设计提出了特别的要求，
三、被动均衡工作原理
被动均衡一般通过电阻放电的方式，对电压较高的锂动力电池进行放电，以热量形式释放电量，为其他锂动力电池争取更多充电时间。在充电过程中，锂动力电池一般有一个充电上限保护电压值，如果充电时的电压超过这个数值，也就是俗称的“过充”，锂动力电池就有可能燃烧或者爆炸。
因此，锂动力电池保护板一般都具备过充保护功能，防止锂动力电池过充。即当某一串锂动力电池达到此电压值后，锂动力电池保护板会切断充电回路，停止充电。
充电均衡是在动力电池充电过程的中后期，动力电池单体电压达到或超过截止电压时，均衡电路开始工作，减小动力电池单体电流，以期限制动力电池单体电压不高于充电截止电压。充电均衡的唯一功能是防止过充电，而在放电使用中将带来负面影响。在使用充电均衡时，小容量动力电池单体没有过充，能放出的电量小于不用均衡器时轻度过充所能释放的电能，使得该动力电池单体放电时间更短，过放的可能性就更大了。
锂动力电池组在充电时容量损失示意图如图1所示，在图1中，2#锂动力电池的端电压首先被充电至设置保护电压值，触发锂动力电池保护电路的保护机制，停止锂动力电池组的充电，这样直接导致1#、3##、4锂动力电池无法充满。整个锂动力电池组的满充电量受限于2#锂动力电池，导致锂动力电池组不能充满电。为了给锂动力电池组充满电，必须在充电时采用均衡充电电路。
在锂动力电池在充电过程中，每节锂动力电池都设有一个均衡电路如图2所示（每个锂动力电池上并一个并联稳压均衡电路），在充电时通过均衡电路来控制每节锂动力电池的电压，使每一串锂动力电池保持相同状态，保证锂动力电池的性能和寿命。
如果锂动力电池均衡电路设定的电压为4.2V，当锂动力电池没有达到4.2V时，并联稳压电路不起作用，每节锂动力电池继续充电，充电电流继续从锂动力电池上通过，如图3所示。
当2#锂动力电池端电压达到4.2V时，均衡电路开始工作，它会把电压一直稳定到4.2V，即充电电流不再经过2#锂动力电池，如图4所示。这样1#、3#、4#锂动力电池的充电时间也相应延长，进而提升整个锂动力电池组的电量。但2号锂动力电池放电电量100%被转换成热量释放，造成了很大的浪费（2号锂动力电池的散热是系统的损失，也是电量的浪费）。
图2所示并联稳压电路的工作原理是：TL431是基准电压，通过调节可变电阻，把电压调节到4.2V。如果锂动力电池两端小于4.2V，TL431不吸收电流，即下面的Ib=0，所以Ic=0，三极管截止，充电电流就还是通过锂动力电池。如果锂动力电池两端到达4.2V，TL431开始吸收电流，Ib>0，充电电流(即Ic)通过三极管，就不通过锂动力电池，即不再给锂动力电池充电了。
电路中的三个串联的二极管IN4001是起分压作用的，可以减少散耗在三极管TIP42上的功率。如果不接这三个二极管IN4001，那么三极管TIP42上散耗的功率：P=4.2V×充电电流，加上二极管IN4001后，P=（4.2V-3×0.7V）×充电电流。最右边的发光二极管有指示作用，灯亮，表示电压已经达到4.2V，即这个均衡电路对应的电池已经充满电了。
四、基于分流电阻的均衡充电电路特性
最简单的均衡电路就是负载消耗型均衡，也就是在每节锂动力电池上并联一个电阻，串联一个开关做控制，当某节锂动力电池电压过高时，打开开关，充电电流通过电阻分流，这样电压高的锂动力电池充电电流小，电压低的锂动力电池充电电流大，通过这种方式来实现锂动力电池电压的均衡，但这种方式只能适用于小容量锂动力电池，对于大容量锂动力电池来说是不现实的。
在锂动力电池电芯两端并联电阻，让电阻消耗掉部分锂动力电池能量，并联电阻有两种形式，一种是固定连接，电阻长期并联在锂动力电池两端，锂动力电池电芯电压高时，通过电阻的电流大，消耗的电量多，锂动力电池电压低时，电阻消耗电量小。通过电阻这种压敏特性，实现锂动力电池端电压的均衡。这是个理论上可行的方法，实际很少使用。
另一种并联电阻方法是通过开关回路将电阻并联在电芯两端。开关由管理系统信号触发，当系统判断哪个电芯电压或者SOC高时，连接其并联电阻，消耗其能量。
基于分流电阻均衡充电原理如图5所示，即每个锂动力电池单体上都并联一个分流电阻，从图5所示电路中可以看出，电阻上的分流电流必须远大于锂动力电池的自放电电流，才能达到均衡充电的效果。一般锂动力电池的自放电电流为C/20000左右，所以流过分流电阻上的电流取C/200是比较合适的。另外，每个分流电阻的偏差也是影响均衡效果的重要因素。经过一定次数的充放电循环后，锂动力电池单体的偏差可以用下面的公式确定：
式中：VC为锂动力电池电压偏差；R为分流电阻；I为锂动力电池自放电电流；VD为锂动力电池单体电压；K为电阻偏差。
若分流电阻取20Ω±0.05%，则锂动力电池电压偏差能够控制在50mV范围内。每个电阻的平均功率为0.72W，但是无论锂动力电池充电过程还是放电过程，分流电阻始终消耗功率。
增加了通断开关的基于分流电阻均衡充电原理如图6所示，通断分流电阻均衡充电与电阻分流均衡充电的区别就是增加了一个通断开关，这个开关的控制可以由控制系统软件来实现，也可以通过简单的逻辑电路来实现。采用这种控制方式的均衡电路只在锂动力电池充电的恒压充电段工作，其他时间通断开关始终断开，这样在锂动力电池组放电时，分流电阻不消能量。但这种电路的主要缺点是通断开关的故障率较高，需采用冗余手段。
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