锂电池保护板均衡问题

电池本身还有可用容量，却因为电池之间不均衡以及为保护电池设置的安全电压的限制导致电池系统无法继续发挥应有的性能。另外，电池在车上的使用寿命比车辆本身的寿命短，即使车辆还没有到达报废年限，却要为满足动力性能而更换电池。但是，更换电池的成本又相当高，因此这在很大程度上制约了电动汽车的发展。

造成电池不均衡最主要的原因是温度。一般情况下，锂离子电池的使用环境温度高于其最佳温度10℃时，锂离子电池的寿命会降低一半。由于车载电池系统的串联数量非常多，一般在88～100串联之间、其容量一般在20～60 kWh，每串电池装载的位置不同而会产生温度差。即使在同一个电池箱内，也会因为位置和电池受热不同出现温度差，而这个温度差会对电池寿命产生重大负面影响，使电池出现不均衡，使得续航里程下降、循环寿命缩短。正是由于这些问题，导致整个电池系统的容量无法完全使用，造成电池系统损失，而减缓这样的系统损失也就会大大延长电池系统的使用寿命。

图1 电池系统损失与均衡效果

如图1所示，电池系统初期容量是100%，在使用的过程中电池会因为各种原因（主要是温度）逐渐衰减，这是锂电池的特性。这部分的衰减无法通过均衡挽回。而造成系统容量下降的最主要的原因是电池容量不均衡导致的系统损失。系统损失并不是所有电池容量减少，而是指电池系统因为不均衡造成有容量也无法使用。

一般情况下，电池容量下降至70%～80%的时候会更换电池以保持续航里程，电池容量保持在70%以上的时间越长，电动汽车的成本也就越低。在没有均衡和一般的被动均衡技术下，电池系统的容量不到3年（每天一次满充满放）就会下降至70%以下。做得较好的被动均衡可以将电池容量勉强维持在70%。与此形成鲜明对比的是，做得较好的主动均衡可以将系统损失降到最低度。这样的主动均衡可以有效地降低因容量不均衡导致的系统损失，进而延长电池系统的使用寿命，延缓电池系统的更换时期，同时增加续航里程。被动均衡与主动均衡

在电池系统中担任重要角色的锂电池保护板作为延长电池寿命的有效手段，逐渐得到大家的重视，其中，起到关键作用的锂电池保护板均衡系统也引起了广泛关注。目前市场上均衡多串联的电池系统有传统的被动均衡和主动均衡两种方式。

1.被动均衡

被动均衡一般通过电阻放电的方式，对电压较高的电池进行放电，以热量形式释放电量，为其他电池争取更多充电时间。这样整个系统的电量受制于容量最少的电池。充电过程中，锂电池一般有一个充电上限保护电压值，当某一串电池达到此电压值后，锂电池保护板会切断充电回路，停止充电。如果充电时的电压超过这个数值，也就是俗称的“过充”，锂电池就有可能燃烧或者爆炸。因此，锂电池保护板一般都具备过充保护功能，防止电池过充。

图2 电池保护造成系统损失的原因

图3 被动均衡充电时工作原理

如图2所示，充电过程中2号电池先被充电至保护电压值，触发锂电池保护板的保护机制，停止电池系统的充电，这样直接导致1号、3号电池无法充满。整个系统的满充电量受限于2号电池，这就是系统损失。为了增加电池系统的电量，锂电池保护板会在充电时均衡电池。如图3所示，均衡启动后，锂电池保护板会对2号电池进行放电，延迟其达到保护电压值的时间，这样1号、3号电池的充电时间也相应延长，进而提升整个电池系统的电量。但是，2号电池放电电量100%被转换成热量释放，造成了很大的浪费（2号电池的散热是系统的损失，也是电量的浪费）。

图4 被动均衡放电时无法均衡

如图4所示，除了过充对电池会有严重影响外，过放也会造成电池严重损坏。同样，锂电池保护板具备过放保护功能。放电时，2号电池的电压到达放电保护值时，触发锂电池保护板的保护机制，停止系统放电，直接导致1号、3号电池的电池余量无法被完全使用，均衡启动后会改善系统过放。

被动均衡的优点是成本低和电路设计简单；而缺点为是以最低电池残余量为基准进行均衡，无法增加残量少的电池的容量，及均衡电量100％以热量形式被浪费。

2.主动均衡

主动均衡是以电量转移的方式进行均衡，效率高，损失小。不同厂家的方法不同，均衡电流也从1～10 A不等。目前市场上出现的很多主动均衡技术不成熟，导致电池过放，加速电池衰减的情况时有发生。市场上的主动均衡大多采用变压原理，依托于芯片厂家昂贵的芯片。并且此方式除了均衡芯片外，还需要昂贵的变压器等周边零部件，体积较大，成本较高。

图5 变压方式主动均衡原理

如图5所示，每6串电池为一组，取6串电池的总电量转移给容量小的电池。电感式主动均衡以物理转换为基础，集成了电源开关和微型电感，采用双向均衡方式，通过相近或相邻电池间的电荷转移均衡电池，并且不论电池处于放电、充电还是静置状态，都可以进行均衡，均衡效率高达92%。

图6 电感式主动均衡充电时的工作原理

图7 电感式主动均衡放电时的工作原理

其放电和充电工作原理，如图6及图7所示，2号电池将电量转移给1号、3号电池。高效的电荷转移，使得充电时3个电池的电压一直保持在均衡状态下，这样所有电池都能充满。锂电池保护板在放电时，也可均衡电池。1号、3号电池将电量转移给2号电池，3个电池的电压一直在均衡状态下放电，这样所有电池电量都能用完。