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锂动力电池均衡电路被动均衡是如何工作的?



  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。

  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,必须在因在充电时采用均衡充电电路。

  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。