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基于TL431的鋰電池均衡電路

時(shí)間:2018-11-02 13:35:56來(lái)源: 作者: 點(diǎn)擊:次
　　在實(shí)際應用中，由于鋰電池單體之間的差異性，經(jīng)一段時(shí)間的充放電后發(fā)現各單體電池上、下限電壓出現參差不齊的現象，嚴重影響到系統的性能。針對這種情況提出了上均衡和下均衡的概念，然
　　在實(shí)際應用中，由于鋰電池單體之間的差異性，經(jīng)一段時(shí)間的充放電后發(fā)現各單體電池上、下限電壓出現參差不齊的現象，嚴重影響到系統的性能。針對這種情況提出了上均衡和下均衡的概念，然后對鋰電池的上、下均衡電路進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗結果證明，幾種鋰電池均衡電路設計的正確性，為研究高性能混合動(dòng)力系統奠定了堅實(shí)的基礎。
　　鎳氫電池屬于堿性電池，由于單體電壓相對較低，且有“記憶效應”，定期的大規模放電是必須的，這在很大程度上加重了電源管理系統的任務(wù)。其次，其還具有自放電率高（10%~15%）的缺點(diǎn)。
　　與其他電池相比，鋰離子電池具有功率密度高（800W/Kg）、單體電壓高（平均電壓為3.6V）、不污染環(huán)境、自放電率低（約為3%~5%），沒(méi)有“記憶效應”等特點(diǎn)，是一種理想的動(dòng)力性電池，所以被廣泛地應用在移動(dòng)電源、混合動(dòng)力汽車(chē)、中低壓開(kāi)關(guān)柜中的備用電源以及航天飛行儲能器等裝置當中。
　　1、國內現有鋰電池保護電路的缺陷
　　鋰電池單體平均電壓只有3.6V，放電電流也有一定的要求。為了提高系統的電流和電壓等級，在一些動(dòng)力性場(chǎng)合一般采用并聯(lián)后再串聯(lián)組成大電流大電壓鋰電池組作為能源系統。由于鋰電池對電壓非常敏感，電池組在使用時(shí)一般要增加一定的保護電路。
　　2、改進(jìn)型鋰電池保護電路原理
　　均衡電路是指人為加入的硬件電路，它可以使整個(gè)電池組的單體上限電壓之間或單體下限電壓之間保持一致性，從而有效地保護電池的上限充電電壓和下限放電電壓，從根本上降低電池對系統的影響，從而達到提高電池性能和延長(cháng)電池壽命的目的。它包括上均衡和下均衡兩種電路。
　　本文針對混合動(dòng)力汽車(chē)設計了兩套電源系統：3串鋰電池保護系統（最高電壓為12.75V，平均放電電壓為10.8V）和10串鋰電池保護系統（最高電壓為42.5V，平均放電電壓為36V），放電電流分別為10A和40A。系統原理如圖1所示，即在其基本保護電路（過(guò)壓/欠壓/過(guò)溫/過(guò)流/短路保護）的基礎上加入了上、下均衡電路。
　　

　　圖1改進(jìn)型保護電路


　　2.1、TL431均衡電路
　　本文利用其基于特性設計的上均衡電路如圖2所示。調節R1、R2、R3的阻值，當電源電壓超過(guò)某一設定值時(shí)便開(kāi)通TL431，通過(guò)功率電阻R*耗能來(lái)降低電池的電壓，使其達到一固定點(diǎn)（均衡點(diǎn)）。通過(guò)為國內電動(dòng)車(chē)及電動(dòng)摩托車(chē)配備的均衡電路的實(shí)驗效果來(lái)看，當均衡點(diǎn)取4.20V時(shí)，電阻的取值分別為：R1=68k！，R2=100k！，R3=4.3k！。
　

　　圖2TL431上均衡原理圖


　　基于TL431的下均衡電路如圖3所示。當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，由于光耦817前級沒(méi)有開(kāi)通，因此光耦后級電路也就無(wú)法工作，電池工作在正常的放電狀態(tài);當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，后級光耦隨前級光耦的開(kāi)通也相繼開(kāi)通，電路通過(guò)功耗電阻R18耗能來(lái)降低電池電壓直到保護芯片送出低電平給保護芯片，迫使電池電壓穩定在其下限限制電壓Vmin，從而達到下均衡的目的。
　　

　　圖3TL431下均衡原理圖


　　從上述均衡的電路原理可以看出，電路的均衡電流不能超過(guò)TL431的上限保護電流（70mA左右）。
　　2.2、并聯(lián)型TL431均衡電路
　　并聯(lián)型TL431下均衡電路如圖4所示。其原理與圖3類(lèi)似，只是通過(guò)并聯(lián)TL431的方法來(lái)達到擴大均衡電流的目的。
　　

　　圖4并聯(lián)型TL431下均衡原理圖


　　2.3、改進(jìn)型TL431均衡電路
　　為了增加電路的均衡能力，同時(shí)減少生產(chǎn)中篩選TL431的工作量，本文借助中功率三極管8550設計改進(jìn)型均衡電路，如圖5所示。一旦電源過(guò)充時(shí)，TL431便開(kāi)通，8550的發(fā)射PN結由于承受正壓而開(kāi)通，功耗電阻便消耗電池電能，直至把電池電壓拖到均衡點(diǎn)。均衡一旦開(kāi)始，圖中發(fā)光二極管便會(huì )發(fā)光，起工作指示作用。通過(guò)調節圖中R1、R2、R3的阻值，便可以設置保護板的上均衡點(diǎn)。
　　

　　圖5改進(jìn)型TL431均衡原理圖


　　3、實(shí)驗結果
　　用具有上述功能的幾套10串鋰電池保護板驅動(dòng)一臺400W直流電機進(jìn)行實(shí)驗，發(fā)現所有保護板在鋰電池系統總壓為42.5V左右時(shí)關(guān)斷充電場(chǎng)管進(jìn)行過(guò)壓保護;在總壓為29.2V左右時(shí)關(guān)斷放電場(chǎng)管進(jìn)行欠壓保護;將帶有保護板的鋰電池組放到檢測臺上進(jìn)行過(guò)流檢測發(fā)現：放電電流為39A左右時(shí)，保護板均進(jìn)行過(guò)流保護;溫度開(kāi)關(guān)在109°C時(shí)關(guān)斷放電回路，有效地保護了放電場(chǎng)管。上述數據表明，電路基本上滿(mǎn)足了過(guò)壓/欠壓/過(guò)流/過(guò)溫保護等基本要求。

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