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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:
  在實(shí)際應(yīng)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(xiàn)各單體電池上、下限電壓出現(xiàn)參差不齊的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的性能。針對(duì)這種情況提出了上均衡和下均衡的概念,然
  在實(shí)際應(yīng)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(xiàn)各單體電池上、下限電壓出現(xiàn)參差不齊的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的性能。針對(duì)這種情況提出了上均衡和下均衡的概念,然后對(duì)鋰電池的上、下均衡電路進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,幾種鋰電池均衡電路設(shè)計(jì)的正確性,為研究高性能混合動(dòng)力系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
  鎳氫電池屬于堿性電池,由于單體電壓相對(duì)較低,且有“記憶效應(yīng)”,定期的大規(guī)模放電是必須的,這在很大程度上加重了電源管理系統(tǒng)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(yīng)”等特點(diǎn),是一種理想的動(dòng)力性電池,所以被廣泛地應(yīng)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(chǔ)能器等裝置當(dāng)中。
  1、國(guó)內(nèi)現(xiàn)有鋰電池保護(hù)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(tǒng)的電流和電壓等級(jí),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(tǒng)。由于鋰電池對(duì)電壓非常敏感,電池組在使用時(shí)一般要增加一定的保護(hù)電路。
  2、改進(jìn)型鋰電池保護(hù)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(hù)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(duì)系統(tǒng)的影響,從而達(dá)到提高電池性能和延長(zhǎng)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(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)設(shè)計(jì)了兩套電源系統(tǒng):3串鋰電池保護(hù)系統(tǒng)(最高電壓為12.75V,平均放電電壓為10.8V)和10串鋰電池保護(hù)系統(tǒng)(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(tǒng)原理如圖1所示,即在其基本保護(hù)電路(過(guò)壓/欠壓/過(guò)溫/過(guò)流/短路保護(hù))的基礎(chǔ)上加入了上、下均衡電路。
  

  圖1改進(jìn)型保護(hù)電路


  2.1、TL431均衡電路
  本文利用其基于特性設(shè)計(jì)的上均衡電路如圖2所示。調(diào)節(jié)R1、R2、R3的阻值,當(dāng)電源電壓超過(guò)某一設(shè)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(dá)到一固定點(diǎn)(均衡點(diǎn))。通過(guò)為國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)及電動(dòng)摩托車(chē)配備的均衡電路的實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看,當(dāng)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(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí),由于光耦817前級(jí)沒(méi)有開(kāi)通,因此光耦后級(jí)電路也就無(wú)法工作,電池工作在正常的放電狀態(tài);當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí),后級(jí)光耦隨前級(jí)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(hù)芯片送出低電平給保護(hù)芯片,迫使電池電壓穩(wěn)定在其下限限制電壓Vmin,從而達(dá)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(hù)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(dá)到擴(kuò)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(shè)計(jì)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(jié)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(diào)節(jié)圖中R1、R2、R3的阻值,便可以設(shè)置保護(hù)板的上均衡點(diǎn)。
  

  圖5改進(jìn)型TL431均衡原理圖


  3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
  用具有上述功能的幾套10串鋰電池保護(hù)板驅(qū)動(dòng)一臺(tái)400W直流電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)所有保護(hù)板在鋰電池系統(tǒng)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(hù);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(hù);將帶有保護(hù)板的鋰電池組放到檢測(cè)臺(tái)上進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)發(fā)現(xiàn):放電電流為39A左右時(shí),保護(hù)板均進(jìn)行過(guò)流保護(hù);溫度開(kāi)關(guān)在109°C時(shí)關(guān)斷放電回路,有效地保護(hù)了放電場(chǎng)管。上述數(shù)據(jù)表明,電路基本上滿(mǎn)足了過(guò)壓/欠壓/過(guò)流/過(guò)溫保護(hù)等基本要求。

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