基于TL431的锂电池均衡电路的研究

Ｄ１
Ｒ６ １ｋ!
８５５０
Ｒ５ ２７! ／ １Ｗ
Ｒ４
Ｒ７ １ｋ!
１ｋ!
Ｄ２
ＴＬ４３１
Ｃ１
Ｄ３
０ ． １"Ｆ
Ｒ１ １６０ｋ!
Ｊ１ Ｂ＋
１ ２ Ｂ－
Ｒ３ 调 节 电阻
Ｒ２ １Ｍ!
图 ５ 改 进 型 ＴＬ４３１ 均 衡 原 理 图
《电子技术应用》２００７ 年第 ９ 期 欢迎订购《电子技术应用》２０００～２００６ 年合订光盘（ ０１０－ ８２３０６０８４） １４５
ＶＣＣ
Ｓ１
ＶＣＣ１
ＶＣＣ２
Hale Waihona Puke Baidu
Ｒ１９ ２７! ／ １Ｗ Ｒ１８
２７! ／ １Ｗ Ｒ１６ １０ｋ!
ＴＬ４３１ （１ ） ＴＬ４３１ （２ ）
８１７ Ｒ１７ １００ｋ!
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
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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《电子技术应用》２００７ 年第 ９ 期
电 源 技 术 与 应 用 Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｌｉｃａｔｉｏｎ
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。
电 源 技 术 与 应 用 Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｌｉｃａｔｉｏｎ
基于 ＴＬ４３１ 的锂电池均衡电路的研究 ＊
张好明， 孙玉坤， 庄淑瑾 （ 江 苏 大 学 电 气 信 息 工 程 学 院 ， 江 苏 镇 江 ２１２０１３）
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。
上均衡
过压检测 单
下均衡
体 欠压检测
１
过温检测
过流检测
充电 控制
放电 控制
上均衡
过压检测 单
下均衡
体 欠压检测
１０
过温检测
过流检测
图 １ 改进型保护电路
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 ＝６８ｋ! ， Ｒ２ ＝ １００ｋ! ， Ｒ３＝４．３ｋ! 。
Ｓ１
ＶＣＣ１
ＶＣＣ２
ＶＣＣ Ｒ１８
２７! ／ １Ｗ
Ｒ１６ １０ｋ!
ＴＬ４３１
８１７
Ｒ１７ １００ｋ!
图 ３ ＴＬ４３１ 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 ） 。 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
关键词： 混合电动汽车 锂电池保护 均衡电路
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ’ｓ ｒｑｕａｌｉｚｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＬ４３１
ＺＨＡＮＧ Ｈａｏ Ｍｉｎｇ， ＳＵＮ Ｙｕ Ｋｕｎ， ＺＨＵＡＮＧ Ｓｈｕ Ｊｉｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３， Ｃｈｉｎａ）
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。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ： ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ； ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ； ｅｑｕａｌｉｚｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ
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］。
Ａｂｓ ｔｒａｃｔ： Ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ， ｅｖｅｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ ｃａｎ ’ｔ ｋｅｅｐ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ａｆｔｅｒ ｌｏｎｇ － ｔｉｍｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｄｏｅｓ ｈａｒｍ ｔｏ ｔｈｅ ＨＥＶ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｏｆ ｕｐ ｅｑｕａｌｉｚｅｒ ａｎｄ ｌｏｗ ｅｑｕａｌｉｚｅｒ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ， ｔｈｅｎ ｇｉｖｅ ｉｎｓｉｇｈｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｃｉｒｃｕｉｔｓ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｓ ｆｉｒｓｔｌｙ． ＡＬＬ ｇｉｖｅ ａ ｇｏｏｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ＨＥＶ ｓｙｓｔｅｍ．
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
＊ 江 苏 省 工 业 公 关 技 术 资 金 项 目 （ ＢＥ２００４０９５ ） ； 江 苏 省 高 新 技 术 资 金 项 目 （ ＢＧ２００４０２４ ）
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
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 。
ＶＣＣ Ｒ＊
ＴＬ４３１
Ｒ３
Ｒ１ Ｒ２
图 ２ ＴＬ４３１ 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 。
电 源 技 术 与 应 用 Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｌｉｃａｔｉｏｎ
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 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 。 ３ 实验结果
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。