电池组均衡电路的真正作用及新方法

2021-01-31贾佳鹏吴文金胡志冬

汽车电器 2021年1期

贾佳鹏，吴文金，胡志冬

（郑州日产汽车有限公司技术中心，河南郑州 450000）

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25Ah

1）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、25Ah

1）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。

图1 正常工作的A、B电芯

图2 被移除的衰减A电芯

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）。