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摘要：能否使用電池組的全部容量對于用戶和電池制造商都具有重要意義。目前的“均衡”電路只對電池組充電有效，即能充到全部容量，但放電均衡電路稀少、復雜、昂貴且不具備實用性，各單體放電其實處于“裸奔”狀態，其壓差數據完全依賴于各單體出廠時的品質參數一致性。本文以滿足實用性、工藝性、成本限制、用戶接受度為導向，提出一種由大電流開關器件逐個切除已放電完畢的衰減單體的電路結構，具有簡單高效、低成本的特點。

關鍵詞：單體衰減；放電均衡電路；大電流開關器件；簡單高效；新電路結構

眾所周知，電池組內單體衰減（容量減少、內阻增大）不但造成電池組有效容量減少，衰減的單體還是充放電過程中過熱爆燃的元兇。為完全使用電池組的容量，各種（電壓）均衡電路應運而生（注：所有均衡電路都是電壓均衡、非容量均衡。后者只有更換衰減單體才能達到）。目前電池組的“均衡”一般是指充電均衡，分為旁路式和主動式兩類。前者結構簡單、成熟使用廣泛，但存在能量損耗、效率低，后者電路構成復雜、形式多樣、成本昂貴易損，實際裝機比例很低。本文通過數據計算，分析了最具有實際意義的電池組放電均衡的作用過程、真實效果及局限，并提出更具優勢的新電路結構。

1均衡電路工作過程描述

1.1充電均衡

在衰減單體先于其他正常單體達到最高電壓后，通過分流使衰減單體端電壓保持在最高設計值不變，使其他未充滿單體繼續充電，直至達到所有單體都充到最高設計值。

1.2放電均衡

1）電池組運行中：這時的均衡電路作用可以忽略。因為電池組的放電工作電流通常遠大于均衡電流，衰減單體仍然會以更快速度降壓，直到達到低壓保護值而關閉電池組輸出。2）電池組擱置：這時均衡電路的工作效果開始顯現并累積（靜態均衡），直到使衰減單體端的電壓與其他正常單體一致。但是，“均衡”后的電池組一旦投入運行，仍然會發生衰減單體更快電壓下降，直到保護電路關閉電池組，造成其他正常單體的容量閑置。由以上分析可知，電池組的充電電壓均衡可以充滿電池組的全部容量，但不能消除衰減單體對放電造成的不利影響：使電池組可用容量明顯減少。尤其在更具有實際意義的放電狀態下，均衡電路幾乎沒有作用，這是目前各類均衡電路的最大弊端。

2以數據分析來證明上述結論

原始數據：某電池組由10個單體串聯而成，單體額定電壓為10V，容量為50Ah，電池組工作電流為10A。那么電池組的額定總電壓為100V，容量為50Ah，總電量為5kWh。

2.1假設其中1個單體的容量衰減到25Ah1）充電過程

通過均衡電路使10串單體都充滿到10V，充入總電量為90V×50Ah+10V×25Ah=4.75kWh。2）放電過程以10A電流放電，經2.5h后，衰減單體容量耗盡，端電壓降到截止電壓，電池組關閉輸出。這時放出的總電量是：100V×10A×2.5h=2.5kWh（注：放電過程中電池組總電壓是有所下降的，不會始終是100V，但不影響結論的性質。以下分析同）。電量放出/充入系數k1=2.5/4.75=52.63%可見，電池組幾乎一半的容量被浪費了，無法使用。2.2假設其中2個單體的容量分別衰減到40Ah、25Ah1）充電過程通過均衡電路，使10串單體都充滿到10V，充入總電量為：80V×50Ah+10V×40Ah+10V×25Ah=4+0.4+0.25=4.65kWh。2）放電過程以10A電流放電，經2.5h后，衰減單體容量耗盡，端電壓降到截止電壓，電池組關閉輸出。這時放出的總電量是：100V×10A×2.5h=2.5kWh。電量放出/充入系數k2=2.5/4.65=53.76%可見，電池組仍然幾乎一半的容量被浪費了，無法使用。

2.3小結

1）在多個衰減單體的電池組上，電池組有效工作時間只取決于衰減容量最大的那串。工作時間減少率/電池組容量浪費率基本正比于串容量衰減率。2）要提升放電狀態下電池組的可用容量，必須使均衡電流值達到與工作電流值相差不多的水平。然后就能使均衡電流“趕得上”負載電流的輸出，衰減單體端電壓與其他正常單體保持一致（注：電池組總電壓會有所降低），通常達到數十安水平，對均衡電路結構設計和電路成本、占用空間、可靠性、客戶接受度都是考驗。故，替換衰減單體是更加有效和易操作的辦法，而不是內置復雜昂貴易損的“主動式”均衡電路。

3另一種能完全使用電池組有效容量的方法

3.1思路

在各串單體之間串入大電流固體開關及增加固體旁路開關，當檢測單元檢測到某串電芯電壓降到截止點時，斷開此串電芯的串聯開關，并使旁路開關閉合，把此串電芯移出電池組。剩余電芯的總電壓稍微降低并繼續放電。以此類推，直到電池組總電壓降到設備低壓截止點。此舉可有效延長電池組的工作時間，并繼續使用電池組的剩余電量。同時輸出報文給儀表顯示，使駕駛員判斷是繼續使用電池組還是開進維修站替換電池組衰減串。

3.2硬件原理框圖

圖1為正常工作的A、B電芯，圖2為被移除的衰減A電芯。如圖2所示，衰減的電芯A經放電后降低到截止電壓，檢測單元發出信號使旁路開關閉合，串聯開關斷開，把電芯A移出電池組。剩下的電芯繼續串聯輸出電流。移除單體會降低電池組總電壓，但這也是目前所有放電均衡電路的特征，不能避免。因為電池組一旦脫開充電器，其所含電量已經成為定值，無法再額外補充。所謂“容量均衡”，只是在不同單體間“拆東墻補西墻”，以達到完全放出電池組所有電量、延長電池組使用時間的目標，并不能使電池組總電量增加。在進行不同單體間容量轉移時，受電單體的電壓會上升，但放電單體的電壓會下降。直到全部單體電壓都達到同一個較低的電壓值，即“均衡完成”。若不考慮開關器件的導通損耗及儲能元件渦流損耗，均衡完成后，電池組總電壓降低的數值就等于衰竭單體的單串電壓值（三元鋰單體為4.2-3.3=0.9V，鐵鋰單體為3.35-3.0=0.35V）。

4結論

此電路具有結構簡單、成本低廉、占用空間小、可靠、客戶易接受的優點，卻能達到與其他復雜昂貴的主動放電均衡電路的相同效果。

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作者：賈佳鵬 吳文金 胡志冬 單位：鄭州日產汽車有限公司技術中心