单体电池设计寿命和使用寿命较长,但装配成电池组后由于衰减速度的差异引发的一致性和使用寿命短的问题,备受广大科技人员和用户的关注。电池组的一致性问题不仅严重缩短续航时间,输出功率快速下降,严重的还会引发热失控故障甚至事故。引发电池衰减差异的原因非常复杂,既有电池自身(俗称内因)原因引起的衰减差异,也有使用期间的外界因素(俗称外因),特别是充放电电压、充放电电流、温度差异等,外因与内因相互促进,最终导致电池组的快速衰减。其中,外因是电池组快速衰减的主要因素。
　　
　　1 电池衰减成因
　　
　　对于蓄电池,无论使用与否,它都会随着时间的流逝而产生衰减,包括容量的衰减、内阻的增大、自放电率的变化等等。内因对于电池的衰减是缓慢的,接近于日历衰减,与外因引起的衰减速度相比几乎可以忽略不计,外因才是造成电池衰减的主要成因。最主要的影响因素是对电池施加作用的充放电电压、充放电电流以及环境温度,这些因素都会直接影响电池的充电限制电压和放电截止电压,当施加于电池的端电压大于充电限制电压或放电时的端电压低于放电截止电压时,电池会受到不可恢复的损伤,并且这个电压差值越大,电池受到的伤害越重,直至失效或报废。同样,施加于电池的充放电电流也是影响电池电压的重要因素,特别是对于衰减电池的影响非常大,由于容量的降低,在较大的充放电电流下,衰减电池的电压上升速度和下降速度高于正常容量电池,容易导致衰减电池过充电及过放电,过充电和过放电是电池衰减和损坏的杀手。另外,衰减电池的内阻明显高于正常电池,衰减越严重,相对应的内阻越大,在较大充放电电流下,衰减电池的温升加速,温升反过来又加速电池衰减,最终形成恶性循环。
　　
　　2 电池组衰减速度高于单体电池的成因及防范策略
　　
　　评价电池充放电速度快慢有一个专用名词,称之为“倍率”,倍率反映的是电池充放电速度,涉及到两个主要参数,分别是充放电电流和电池容量,换算公式为:倍率=电流÷容量,由此可见,倍率的大小与电池的充放电电流成正比,与电池的容量成反比。在单电池供电设备中,电池的充放电电流或倍率通常处于某一范围内,对充电限制电压和放电截止电压很容易进行控制,不易发生过充电或过放电的情况,因而电池实际使用寿命通常都比较长,而对于多串电池组,在没有任何均衡装置干预的情况下,无法单独控制每一块电池的充电限制电压和放电截止电压,衰减电池极容易进入极端状态而受损,同时对其它电池又产生连锁反应,影响其它电池的正常充放电工作,这种影响是非线性的,几乎呈指数式加速状态,一旦有一块电池受损(实验发现,一次严重的过放电即可造成锂电池的严重衰减甚至永久报废),整组电池的容量、性能加速下降。某电池一旦发生衰减,其实际充放电倍率将是组内最高的,这又进一步加快其衰减速度,充电时快速进入过充电状态,放电时又快速进入过放电状态,如此连续几个充放电循环后,衰减电池的容量将急剧下降,内阻急剧上升,内阻引起的内部损耗增大,对整个电池组的负面影响是非常明显的,导致有效放电时间迅速缩短,有效放电容量迅速下降(充电容量也随之下降),输出功率下降,因此,电池组的衰减速度远高于单电池供电设备的电池衰减速度。
　　
　　根据前面的分析可知,电池组严重衰减后的表现主要有以下几种:一是充放电容量减少;二是充放电时间缩短;三是带负载能力变差;四是充放电温升加速。无论是哪种变化,衰减电池都会通过端电压表现出来,在充放电的情况下,衰减严重的电池与正常电池或衰减轻微电池间的电压差异表现明显,这种差异的表现,实质就是容量差异以及内阻差异的外在表现,体现电池的一致性差异,防范电池组快速衰减就必须解决电池电压的一致性问题,防止电池发生过充电和过放电极端。基于目前的电池管理技术,只有转移式实时电池均衡技术才能实现这一目标。
　　
　　3 实例及分析
　　
　　本文以国家专利技术样机在不同电池组中的应用实例及数据分析进行进一步阐述。
　　
　　(1)锂电池组均衡实验数据及分析
　　
　　实验电池组采用退役的锂电池组组装,2并4串结构,每2并电池作为一个整体,如图1所示电池组下面的设备为本文锂电池均衡器样机。室温环境下的2A放电检测剩余容量分别为1#:2.58Ah,2#:2.09Ah,3#:1.50Ah,4#:2.51Ah,来自多个电池厂商。实际剩余容量分别只有设计容量的58.6%、47.5%、34.1%和57.1%,从实际剩余容量来看,均已达到淘汰标准,整组充电标准为恒流限压充电,恒流充电电流为2A,整组限压16.8V,当任意电池的电压充电至4.20V时,整组电池停止充电。放电标准为2A恒流放电,整组电池放电终止电压限定为12.0V,当任意电池的电压放电至3.00V时,整组电池停止放电,循环均衡充放电次数30次。
　　
　　为便于对比,先进行常规放电,实测有效安全放电时间为45min,计算放电容量为1.50Ah,等于3#电池的容量,即3#电池的容量代表了整个电池组的容量,完全符合木桶短板理论。此时,其它3块电池虽然还有较多电量,但无法释放出来,容量浪费严重。放电的同时,采用红外线测温仪定时对每一块电池的外壳进行温度测量,并记录相应数据,实际测量数据见表1,实测温度数据表明,衰减最严重的3#电池的温升速度和绝对值均明显高于其它衰减程度稍低的电池。
　　
　　通过电压测量数据可以看到,衰减最严重的3#电池电压下降速度最快,这个数据也说明了3#电池内阻R上产生的压降U损耗是最大的,依据内阻的损耗公式P=U2/R,其产生的热量最多,因此,温升必然最大。从放电结束时的电压数据可以看到,除3#电池外,其它3块电池均剩余较多电量没有得到有效释放,浪费严重,特别是1#和4#电池。
　　
　　接下来,对电池组接入本文所述电池均衡器样机进行充放电,在连续进行的30次均衡充放电实验中,平均安全有效放电时间约61min,平均放电容量约2.03Ah,远高于标准放电模式下的1.50Ah。虽然3#电池的容量最小,但在充放电全程未发生过充电或过放电的情况,最高电压4.22V,均优于锂电池的充电限制电压4.25V和放电截止电压2.75V,完全实现了安全充放电,其它3块电池的容量也都得到了高效、安全、合理利用,几乎没有剩余,无论是实际放电时间,还是实际放电容量都远远高于常规放电数据,真正实现了不同容量的高效、合理利用。均衡放电结束时,4块电池的最低电压在2.99～3.02V之间,非常理想。在电池的放电温升监测中,衰减最严重的3#电池的温升由于受到电池均衡器的干预,实际温升显著下降,实测不同时间点的绝对温度数据见表2。
　　
　　均衡放电数据表明,在高效实时电池均衡器的介入下,温升方面,衰减最严重的3#电池的温升速度和绝对值处于最小状态;电压差方面,从均衡放电开始,一直到放电结束,电压差始终处于非常小的状态,近似完美;而在放电时间和放电容量方面,都远远超过常规放电,所有电池的电量几乎全部放电完毕,当到达放电截止电压时,3#电池仍处在非常高的安全电压值以内。
　　
　　如果对比相同放电时间点的温升,就会发现,在均衡放电环境温度略高的情况下,无论是最高温升还是平均温升,均衡放电情况下的温升始终处于最小状态,温升的降低,对于延长电池组的使用寿命是非常有好处的。
　　
　　本实验电池组的一致性问题非常严重,在没有本文中的电池均衡器情况下,能够安全充入的最大电量取决于3#电池,3#电池由于容量最小,最先充满电,如果没有安全充电控制,很快就会进入过充电状态,使电池受损;放电时,其可放出的电量同样取决于3#电池的容量,3#电池最先放完电,如果没有安全放电控制,随后就会进入过放电状态,使电池进一步受损,反复充放电后,3#电池的容量将进一步快速衰减。3#电池在容量严重衰减的情况下,还会伴生另一个严重问题,那就是内阻进一步快速上升。对于蓄电池来说,内阻越小越好,内阻的上升会使电池在大电流充电或放电时温度快速升高,温升对于蓄电池副作用很大,特别是过高的温升不仅加速电池的衰减,严重影响和缩短蓄电池的使用寿命,严重的还会引发热失控故障。在本电池组中,标准充放电情况下,3#电池的温升始终处于最高,进一步加速其衰减。
　　
　　而在均衡器介入下,通过均衡器的高效分流功能,3#电池的实际充放电流显著下降,电压上升和下降速度实现了与其它3块电池同步,电压差也非常小,内阻导致的发热量显著下降,实测最高温升低于其它3块电池,温升引起的衰减被有效控制,有效降低了3#电池的进一步衰减速度。
　　
　　实测数据和温升变化曲线如图2和图3所示,通过曲线可以明显看到,标准放电情况下,衰减最严重的3#锂电池,温速度非常快,无论是温度的绝对值,还是升高速度都明显超过其它衰减程度低的锂电池;同样的锂电池组,当使用了高效电池均衡器后,温升情况发生反转,衰减最严重的3#锂电池,温升速度和绝对值明显下降,在相同的放电时间点(45min),无论是温度的绝对值,还是升高速度都是组内最低的。对于整个电池组而然,使用电池均衡器后,在对应的时间点,单元电池的最高温度和平均温度均低于常规放电时的对应温度,发生这种情况的根本原因是均衡器的介入明显降低了衰减最严重的3#电池实际放电电流,由于内阻原因导致的温升被主动降低。
　　
　　(2)24串单体2V170Ah铅酸蓄电池组均衡实验数据及分析
　　
　　实验电池组如图4所示,这是一组容量快速衰减、无法正常使用时用户返厂等待检测的机车用电池组,上方的白色装置为本文电池均衡器样机模块。客户反映,该电池组实际使用时间只有一年多,放电时间非常短,不仅带负载后电压下降速度非常快,而且充电时很快就显示充满电,电池组很不耐用。
　　
　　实测正常充满电后,在0.1C(17A)放电倍率的情况下,实际安全放电时间不足30min,2#电池就放电完毕并快速进入过放电状态,温升也明显偏高,随后又有几块电池电压急速下降,立刻结束放电。接下来,接入本文2V铅酸蓄电池均衡器专利样机模块,在均衡器的全程介入和自动干预下进行电池组的均衡充放电对照实验,放电标准相同,当任意电池的电压下降至1.80V时停止放电,首次均衡放电时间长达1.5h,是标准放电时间的3倍,放电容量达到25.5Ah,是标准放电容量的3倍,此时,2#电池仍在安全电压值以内,温升很低,与其它电池温升相似,首次标准放电中电压偏低的几块电池电压也始终处于安全值以内。在接下来的连续7个循环均衡充放电实验中,均衡放电时间逐渐延长至2.8h左右并处于相对稳定状态,后经连续均衡充放电实验,放电时间基本都稳定在2.6～3.0h之间,达到标准放电时间的5倍多,实测组中衰减电池的最小放电电流与性能最好电池的最大放电电流的差值达到10A以上,衰减电池的实际放电电流几乎处于最小值,有效地保护了衰减电池,充电期间,2#电池和其它几块容量相对较小的电池,充电电压始终处于安全值以内,未发生过充电情况。
　　
　　4 技术原理
　　
　　从上面两个实例的对比实验数据来看,使用本文电池均衡器后,电池组的安全放电容量和放电时间明显延长,衰减电池的温升显著下降,控制衰减电池过充电和过放电效果显著,下面对均衡机理进行简要阐述。
　　
　　本文所述电池均衡技术,采用相对电压差控制技术和电能转移技术进行电池均衡,通过实时对相邻电池的电压进行均衡实现整组电池的电压均衡和荷电量均衡,特别是其独特的双向同步整流技术能大幅度提高均衡电流和均衡效率,通过高速分流技术降低衰减电池的实际工作电流和温升。基于其均衡实现原理,适用于电池组运行的全过程,包括充电、放电以及静止期。例如,放电期间,根据不同容量电池的放电电压特性,自动识别大小容量电池并对大容量电池自动增大放电电流,提高放电倍率,增大的放电电流通过均衡器转换为衰减电池提供一个叠加电流,弥补小容量电池放电能力的不足。同时,自动减小小容量电池的放电电流和放电倍率,最终实现所有不同容量电池电压同步下降。
　　
　　如果电池容量差异不是非常大,并且均衡电流足够大,均衡效率足够高,则所有电池基本上可以同时放完电,电池容量得到充分利用。2串电池放电均衡原理示意图如图5所示。
　　
　　同样,充电时,系统根据电池的相对电压特征自动识别电池容量大小,对小容量电池自动降低充电电流,降低其充电倍率和电压上升速度以及温升。相反,对容量较大的电池自动增大充电电流,增大充电倍率和电压上升速度,实现所有不同容量电池电压同步上升,如果电池容量差异不是非常大,并且均衡电流足够大,均衡效率足够高,则所有电池为等倍率充电,同时充满电。
　　
　　电池组静止期间,均衡器通过自动调节不同电池间的电量进行电压均衡,实现所有不同容量电池的电压基本一致。
　　
　　5 结束语̶̶̶̶结论与展望
　　
　　本文通过两组衰减电池的均衡对照实例,展现了高效电池均衡技术对衰减电池组的容量和衰减电池温升的积极影响,在锂电池组均衡充放电中,样机的最大均衡电流大于电池组的最大充放电电流,均衡充分,不同电池的容量得到完全发挥,衰减电池的温升控制理想;在大容量铅酸电池组中,受实验样机最大均衡电流的限制,还有部分电池的电量没有得到正常释放和利用,如果采用更大均衡电流的样机(该技术特有的双向同步整流技术支持大电流均衡),则有效放电时间和放电容量还可以延长。进一步的研究和大量科学实验数据表明,转移式实时电池均衡器介入得越早,对控制电池衰减的作用越明显。这一结果表明,电池成组时就装配上转移式实时电池均衡器不仅更有利于延长电池组的使用寿命,而且大幅度降低对均衡电流的指标要求,特别适合大容量储能、动力电池组以及梯次电池的规模化应用,能够有效地预防电池组的热失控故障,保障电池组的运行安全。
　　
　　作者简介
　　
　　周宝林(1968-),大庆市交通运输局高级工程师,工程硕士,主要研究方向:电池均衡技术。
　　
　　编辑：Harris