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基于TL431的锂电池均衡电路
接线图
2023年01月19日 22:42 700
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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。
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。
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，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。
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。
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。
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。
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，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。
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。
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。
图1改进型保护电路
2.1、TL431均衡电路
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=68k！，R2=100k！，R3=4.3k！。
图2TL431上均衡原理图
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Vmin，从而达到下均衡的目的。
图3TL431下均衡原理图
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）。
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。
图4并联型TL431下均衡原理图
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，便可以设置保护板的上均衡点。
图5改进型TL431均衡原理图
3、实验结果
用具有上述功能的几套10串锂电池保护板驱动一台400W直流电机进行实验，发现所有保护板在锂电池系统总压为42.5V左右时关断充电场管进行过压保护;在总压为29.2V左右时关断放电场管进行欠压保护;将带有保护板的锂电池组放到检测台上进行过流检测发现：放电电流为39A左右时，保护板均进行过流保护;温度开关在109°C时关断放电回路，有效地保护了放电场管。上述数据表明，电路基本上满足了过压/欠压/过流/过温保护等基本要求。
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