摘 要： 在实际应用中，由于锂电池单体之间的差异性，经一段时间的充放电" title="充放电">充放电后发现各单体电池上、下限电压出现参差不齐的现象，严重影响到系统的性能。针对这种情况提出了上均衡和下均衡的概念，然后对锂电池的上、下均衡电路" title="均衡电路">均衡电路进行了深入研究。实验结果证明，几种锂电池均衡电路设计的正确性，为研究高性能混合动力系统奠定了坚实的基础。
    关键词： 混合电动汽车  锂电池保护  均衡电路

    现今用于储能装置中的动力性电池有：铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。
    铅酸电池由于含有有毒物质铅，且其具有能量密度低，充放电寿命短、废弃物难处理等缺点，基本上已被未来的储能系统所淘汰^[1]。
    镍氢电池属于碱性电池，由于单体电压相对较低，且有“记忆效应”，定期的大规模放电是必须的，这在很大程度上加重了电源管理系统的任务。其次，其还具有自放电率高（10%～15%）的缺点^[2-3]。
    与其他电池相比，锂离子电池具有功率密度高（800W/Kg）、单体电压高（平均电压为3.6V）、不污染环境、自放电率低(约为3%～5%)，没有“记忆效应”等特点，是一种理想的动力性电池^[4]，所以被广泛地应用在移动电源、混合动力汽车、中低压开关柜中的备用电源以及航天飞行储能器等装置当中。
1 国内现有锂电池保护电路" title="保护电路">保护电路的缺陷
    锂电池单体平均电压只有3.6V，放电电流也有一定的要求。为了提高系统的电流和电压等级，在一些动力性场合一般采用并联后再串联组成大电流大电压锂电池组作为能源系统。由于锂电池对电压非常敏感，电池组在使用时一般要增加一定的保护电路。参看国内大部分动力性锂电池保护电路发现，其保护电路相当简单，一般只包括过压/欠压/过流/短路保护等。在一般使用条件下，这个电池组可以在短时间内进行正常的充电和放电。但是，把带有此保护电路的锂电池组用于混合动力汽车系统当中，经过一个阶段的大电流放电和充电后，发现各个单体之间的上限电压和下限电压出现严重的不一致：有的电池单体在其他电池电压" title="电池电压">电池电压还处于正常充电条件时，由于自身电压达到了上限保护门槛而关闭充电通道，致使整个能量系统总压达不到预定要求；有的电池单体在其他电池电压还处于正常放电条件时，由于自身电压达到了下限保护门槛电压而关闭放电通道，致使整个能源系统不能完全放电。上述两种现象严重影响了能源系统的性能，对电池进行均衡控制是解决上述现象最有效的办法。
2 改进型锂电池保护电路原理
    均衡电路是指人为加入的硬件电路，它可以使整个电池组的单体上限电压之间或单体下限电压之间保持一致性，从而有效地保护电池的上限充电电压和下限放电电压，从根本上降低电池对系统的影响，从而达到提高电池性能和延长电池寿命的目的。它包括上均衡和下均衡两种电路，顾名思义，它们分别保护电池上限电压和电池下限电压。
    本文针对混合动力汽车设计了两套电源系统：3串锂电池保护系统（最高电压为12.75V，平均放电电压为10.8V）和10串锂电池保护系统（最高电压为42.5V，平均放电电压为36V），放电电流分别为10A和40A。系统原理如图1所示，即在其基本保护电路（过压/欠压/过温/过流/短路保护）的基础上加入了上、下均衡电路。

2.1 TL431均衡电路
    TL431为一并联型三端稳压管，其基本特性可参阅参考文献[5]，本文利用其基于特性设计的上均衡电路如图2所示。调节R1、R2、R3的阻值，当电源电压超过某一设定值时便开通TL431，通过功率电阻R^*耗能来降低电池的电压，使其达到一固定点（均衡点）。通过为国内电动车及电动摩托车配备的均衡电路的实验效果来看，当均衡点取4.20V时，电阻的取值分别为：R1=68kΩ，R2=100kΩ，R3=4.3kΩ。

    基于TL431的下均衡电路如图3所示。当开关断开时，由于光耦817前级没有开通，因此光耦后级电路也就无法工作，电池工作在正常的放电状态；当开关闭合时，后级光耦随前级光耦的开通也相继开通，电路通过功耗电阻R18耗能来降低电池电压直到保护芯片送出低电平给保护芯片，迫使电池电压稳定在其下限限制电压V_min，从而达到下均衡的目的。

    从上述均衡的电路原理可以看出，电路的均衡电流不能超过TL431的上限保护电流（70mA左右）。由于受均衡能力的限制，无法应用于大电流充放电的电路当中。为了增加电路的均衡能力而又不损害TL431，可以采用并联TL431的办法。
2.2 并联型TL431均衡电路
    并联型TL431下均衡电路如图4所示。其原理与图3类似，只是通过并联TL431的方法来达到扩大均衡电流的目的。在实际生产中发现，由于TL431特性之间有微小的差异，使得两路均衡电流不完全一致。为了减少上述现象的发生，一般采用筛选配对TL431的方法来完善上述电路，这无疑加大了生产的工作量。

2.3 改进型TL431均衡电路
    为了增加电路的均衡能力，同时减少生产中筛选TL431的工作量，本文借助中功率三极管8550设计改进型均衡电路，如图5所示。一旦电源过充时，TL431便开通，8550的发射PN结由于承受正压而开通，功耗电阻便消耗电池电能，直至把电池电压拖到均衡点。均衡一旦开始，图中发光二极管便会发光，起工作指示作用。通过调节图中R1、R2、R3的阻值，便可以设置保护板" title="保护板">保护板的上均衡点。图中R1、R2、R3阻值相对较大，在TL431关闭后对均衡点影响较小，可忽略不计。下均衡电路也如图5所示，只是改变一下R1、R2、R3的相应阻值。

    从图6、图7和图8的数据图形对比可以看出：上均衡电路的加入使得电池的上限电压均保持在均衡点4.22V和4.18V左右，有效地保护了电池的上限电压，无均衡电路的电池上限电压则显得杂乱无章；从图9、图10和图11的数据图形对比可以看出：下均衡电路的加入使得电池的下限电压均保持在下均衡点2.91V左右，有效地保护了电池的下限电压，无均衡电路的电池下限电压则显得杂乱无章，严重损害了电池性质的一致性和寿命。
    本文从工程实践出发，针对动力性锂电池在高倍率放电一个阶段后所出现的上下限电压参差不齐的现象，提出了基于TL431的均衡电路，并对锂电池的均衡电路进行了深入研究。实践结果证明，所设计的上均衡电路和下均衡电路不仅保证了电池高倍率放电后电池电量一致性的要求，而且还有效地保护了电池的上下限电压，为进一步研究高性能的蓄电池储能系统和混合动力汽车系统奠定了坚实的基础。
参考文献
[1]  陈全世，仇斌.燃料电池电动汽车[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2]  胡骅，宋慧.电动汽车[M].北京：人民交通出版社，2002.
[3]  刘金玲.并联混合动力客车控制策略研究[D]. 北京：清华大学硕士论文，2005.
[4]  熊志伟. 混合动力城市客车动力系统研究[D]. 武汉：武汉理工大学硕士论文，2004.
[5]  朱庆，房绪鹏.TL431在镍镉电池充电电路中的一种应用[J].山东电子，2001,(3).