谈电池组均衡电路真正作用及新方法

摘要：能否使用电池组的全部容量对于用户和电池制造商都具有重要意义。目前的“均衡”电路只对电池组充电有效，即能充到全部容量，但放电均衡电路稀少、复杂、昂贵且不具备实用性，各单体放电其实处于“裸奔”状态，其压差数据完全依赖于各单体出厂时的品质参数一致性。本文以满足实用性、工艺性、成本限制、用户接受度为导向，提出一种由大电流开关器件逐个切除已放电完毕的衰减单体的电路结构，具有简单高效、低成本的特点。

关键词：单体衰减；放电均衡电路；大电流开关器件；简单高效；新电路结构

众所周知，电池组内单体衰减（容量减少、内阻增大）不但造成电池组有效容量减少，衰减的单体还是充放电过程中过热爆燃的元凶。为完全使用电池组的容量，各种（电压）均衡电路应运而生（注：所有均衡电路都是电压均衡、非容量均衡。后者只有更换衰减单体才能达到）。目前电池组的“均衡”一般是指充电均衡，分为旁路式和主动式两类。前者结构简单、成熟使用广泛，但存在能量损耗、效率低，后者电路构成复杂、形式多样、成本昂贵易损，实际装机比例很低。本文通过数据计算，分析了最具有实际意义的电池组放电均衡的作用过程、真实效果及局限，并提出更具优势的新电路结构。

1均衡电路工作过程描述

1.1充电均衡

在衰减单体先于其他正常单体达到最高电压后，通过分流使衰减单体端电压保持在最高设计值不变，使其他未充满单体继续充电，直至达到所有单体都充到最高设计值。

1.2放电均衡

1）电池组运行中：这时的均衡电路作用可以忽略。因为电池组的放电工作电流通常远大于均衡电流，衰减单体仍然会以更快速度降压，直到达到低压保护值而关闭电池组输出。2）电池组搁置：这时均衡电路的工作效果开始显现并累积（静态均衡），直到使衰减单体端的电压与其他正常单体一致。但是，“均衡”后的电池组一旦投入运行，仍然会发生衰减单体更快电压下降，直到保护电路关闭电池组，造成其他正常单体的容量闲置。由以上分析可知，电池组的充电电压均衡可以充满电池组的全部容量，但不能消除衰减单体对放电造成的不利影响：使电池组可用容量明显减少。尤其在更具有实际意义的放电状态下，均衡电路几乎没有作用，这是目前各类均衡电路的最大弊端。

2以数据分析来证明上述结论

原始数据：某电池组由10个单体串联而成，单体额定电压为10V，容量为50Ah，电池组工作电流为10A。那么电池组的额定总电压为100V，容量为50Ah，总电量为5kWh。

2.1假设其中1个单体的容量衰减到25Ah1）充电过程

通过均衡电路使10串单体都充满到10V，充入总电量为90V×50Ah+10V×25Ah=4.75kWh。2）放电过程以10A电流放电，经2.5h后，衰减单体容量耗尽，端电压降到截止电压，电池组关闭输出。这时放出的总电量是：100V×10A×2.5h=2.5kWh（注：放电过程中电池组总电压是有所下降的，不会始终是100V，但不影响结论的性质。以下分析同）。电量放出/充入系数k1=2.5/4.75=52.63%可见，电池组几乎一半的容量被浪费了，无法使用。2.2假设其中2个单体的容量分别衰减到40Ah、25Ah1）充电过程通过均衡电路，使10串单体都充满到10V，充入总电量为：80V×50Ah+10V×40Ah+10V×25Ah=4+0.4+0.25=4.65kWh。2）放电过程以10A电流放电，经2.5h后，衰减单体容量耗尽，端电压降到截止电压，电池组关闭输出。这时放出的总电量是：100V×10A×2.5h=2.5kWh。电量放出/充入系数k2=2.5/4.65=53.76%可见，电池组仍然几乎一半的容量被浪费了，无法使用。

2.3小结

1）在多个衰减单体的电池组上，电池组有效工作时间只取决于衰减容量最大的那串。工作时间减少率/电池组容量浪费率基本正比于串容量衰减率。2）要提升放电状态下电池组的可用容量，必须使均衡电流值达到与工作电流值相差不多的水平。然后就能使均衡电流“赶得上”负载电流的输出，衰减单体端电压与其他正常单体保持一致（注：电池组总电压会有所降低），通常达到数十安水平，对均衡电路结构设计和电路成本、占用空间、可靠性、客户接受度都是考验。故，替换衰减单体是更加有效和易操作的办法，而不是内置复杂昂贵易损的“主动式”均衡电路。

3另一种能完全使用电池组有效容量的方法

3.1思路

在各串单体之间串入大电流固体开关及增加固体旁路开关，当检测单元检测到某串电芯电压降到截止点时，断开此串电芯的串联开关，并使旁路开关闭合，把此串电芯移出电池组。剩余电芯的总电压稍微降低并继续放电。以此类推，直到电池组总电压降到设备低压截止点。此举可有效延长电池组的工作时间，并继续使用电池组的剩余电量。同时输出报文给仪表显示，使驾驶员判断是继续使用电池组还是开进维修站替换电池组衰减串。

3.2硬件原理框图

图1为正常工作的A、B电芯，图2为被移除的衰减A电芯。如图2所示，衰减的电芯A经放电后降低到截止电压，检测单元发出信号使旁路开关闭合，串联开关断开，把电芯A移出电池组。剩下的电芯继续串联输出电流。移除单体会降低电池组总电压，但这也是目前所有放电均衡电路的特征，不能避免。因为电池组一旦脱开充电器，其所含电量已经成为定值，无法再额外补充。所谓“容量均衡”，只是在不同单体间“拆东墙补西墙”，以达到完全放出电池组所有电量、延长电池组使用时间的目标，并不能使电池组总电量增加。在进行不同单体间容量转移时，受电单体的电压会上升，但放电单体的电压会下降。直到全部单体电压都达到同一个较低的电压值，即“均衡完成”。若不考虑开关器件的导通损耗及储能元件涡流损耗，均衡完成后，电池组总电压降低的数值就等于衰竭单体的单串电压值（三元锂单体为4.2-3.3=0.9V，铁锂单体为3.35-3.0=0.35V）。

4结论

此电路具有结构简单、成本低廉、占用空间小、可靠、客户易接受的优点，却能达到与其他复杂昂贵的主动放电均衡电路的相同效果。

参考文献：

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作者：贾佳鹏 吴文金 胡志冬 单位：郑州日产汽车有限公司技术中心