電池組均衡電路的真正作用及新方法

賈佳鵬，吳文金，胡志冬

（鄭州日產汽車有限公司技術中心，河南 鄭州 450000）

眾所周知，電池組內單體衰減 （容量減少、內阻增大）不但造成電池組有效容量減少，衰減的單體還是充放電過程中過熱爆燃的元兇。為完全使用電池組的容量，各種 （電壓） 均衡電路應運而生 （注：所有均衡電路都是電壓均衡、非容量均衡。后者只有更換衰減單體才能達到）。目前電池組的“均衡”一般是指充電均衡，分為旁路式和主動式兩類。前者結構簡單、成熟使用廣泛，但存在能量損耗、效率低，后者電路構成復雜、形式多樣、成本昂貴易損，實際裝機比例很低。本文通過數(shù)據(jù)計算，分析了最具有實際意義的電池組放電均衡的作用過程、真實效果及局限，并提出更具優(yōu)勢的新電路結構。

1 均衡電路工作過程描述

1.1 充電均衡

在衰減單體先于其他正常單體達到最高電壓后，通過分流使衰減單體端電壓保持在最高設計值不變，使其他未充滿單體繼續(xù)充電，直至達到所有單體都充到最高設計值。

1.2 放電均衡

1） 電池組運行中：這時的均衡電路作用可以忽略。因為電池組的放電工作電流通常遠大于均衡電流，衰減單體仍然會以更快速度降壓，直到達到低壓保護值而關閉電池組輸出。

2） 電池組擱置：這時均衡電路的工作效果開始顯現(xiàn)并累積 （靜態(tài)均衡），直到使衰減單體端的電壓與其他正常單體一致。但是，“均衡”后的電池組一旦投入運行，仍然會發(fā)生衰減單體更快電壓下降，直到保護電路關閉電池組，造成其他正常單體的容量閑置。

由以上分析可知，電池組的充電電壓均衡可以充滿電池組的全部容量，但不能消除衰減單體對放電造成的不利影響：使電池組可用容量明顯減少。

尤其在更具有實際意義的放電狀態(tài)下，均衡電路幾乎沒有作用，這是目前各類均衡電路的最大弊端。

2 以數(shù)據(jù)分析來證明上述結論

原始數(shù)據(jù)：某電池組由10個單體串聯(lián)而成，單體額定電壓為10V，容量為50Ah，電池組工作電流為10A。那么電池組的額定總電壓為100V，容量為50Ah，總電量為5kWh。

2.1 假設其中1個單體的容量衰減到25Ah

1） 充電過程

通過均衡電路使10串單體都充滿到10V，充入總電量為90V×50Ah+10V×25Ah=4.75kWh。

2） 放電過程

以10A電流放電，經2.5h后，衰減單體容量耗盡，端電壓降到截止電壓，電池組關閉輸出。這時放出的總電量是：100V×10A×2.5h=2.5kWh （注：放電過程中電池組總電壓是有所下降的，不會始終是100V，但不影響結論的性質。以下分析同）。

電量放出/充入系數(shù)k1=2.5/4.75=52.63%

可見，電池組幾乎一半的容量被浪費了，無法使用。

2.2 假設其中2個單體的容量分別衰減到40Ah、25Ah

1） 充電過程

通過均衡電路，使10串單體都充滿到10V，充入總電量為：80V×50Ah+10V×40Ah+10V×25Ah=4+0.4+0.25=4.65kWh。

2） 放電過程

以10A電流放電，經2.5h后，衰減單體容量耗盡，端電壓降到截止電壓，電池組關閉輸出。這時放出的總電量是：100V×10A×2.5h=2.5kWh。

電量放出/充入系數(shù)k2=2.5/4.65=53.76%

可見，電池組仍然幾乎一半的容量被浪費了，無法使用。

2.3 小結

1） 在多個衰減單體的電池組上，電池組有效工作時間只取決于衰減容量最大的那串。工作時間減少率/電池組容量浪費率基本正比于串容量衰減率。

2） 要提升放電狀態(tài)下電池組的可用容量，必須使均衡電流值達到與工作電流值相差不多的水平。然后就能使均衡電流“趕得上”負載電流的輸出，衰減單體端電壓與其他正常單體保持一致 （注：電池組總電壓會有所降低），通常達到數(shù)十安水平，對均衡電路結構設計和電路成本、占用空間、可靠性、客戶接受度都是考驗。

故，替換衰減單體是更加有效和易操作的辦法，而不是內置復雜昂貴易損的“主動式”均衡電路。

3 另一種能完全使用電池組有效容量的方法

3.1 思路

在各串單體之間串入大電流固體開關及增加固體旁路開關，當檢測單元檢測到某串電芯電壓降到截止點時，斷開此串電芯的串聯(lián)開關，并使旁路開關閉合，把此串電芯移出電池組。剩余電芯的總電壓稍微降低并繼續(xù)放電。以此類推，直到電池組總電壓降到設備低壓截止點。此舉可有效延長電池組的工作時間，并繼續(xù)使用電池組的剩余電量。同時輸出報文給儀表顯示，使駕駛員判斷是繼續(xù)使用電池組還是開進維修站替換電池組衰減串。

3.2 硬件原理框圖

圖1為正常工作的A、B電芯，圖2為被移除的衰減A電芯。

如圖2所示，衰減的電芯A經放電后降低到截止電壓，檢測單元發(fā)出信號使旁路開關閉合，串聯(lián)開關斷開，把電芯A移出電池組。剩下的電芯繼續(xù)串聯(lián)輸出電流。

圖1 正常工作的A、B電芯

圖2 被移除的衰減A電芯

移除單體會降低電池組總電壓，但這也是目前所有放電均衡電路的特征，不能避免。因為電池組一旦脫開充電器，其所含電量已經成為定值，無法再額外補充。所謂“容量均衡”，只是在不同單體間“拆東墻補西墻”，以達到完全放出電池組所有電量、延長電池組使用時間的目標，并不能使電池組總電量增加。在進行不同單體間容量轉移時，受電單體的電壓會上升，但放電單體的電壓會下降。直到全部單體電壓都達到同一個較低的電壓值，即“均衡完成”。若不考慮開關器件的導通損耗及儲能元件渦流損耗，均衡完成后，電池組總電壓降低的數(shù)值就等于衰竭單體的單串電壓值 （三元鋰單體為4.2-3.3=0.9V，鐵鋰單體為3.35-3.0=0.35V）。

4 結論

此電路具有結構簡單、成本低廉、占用空間小、可靠、客戶易接受的優(yōu)點，卻能達到與其他復雜昂貴的主動放電均衡電路的相同效果。