關(guān)鍵詞：電池均衡，熱失控，均衡能力，雙向同步整流

 

電池組的容量取決于組內最差單元電池的放電容量，這是一個(gè)不爭的事實(shí)，已被廣泛共識。研究和應用證實(shí)，電池組的一致性問(wèn)題是影響電池組放電容量的最主要因素。

 

 

 

 

單體電池耐用、壽命長(cháng)，而成組使用后的壽命卻非常短，并且易發(fā)生熱失控的問(wèn)題，一直是電池界和電池管理界繞不開(kāi)的話(huà)題和心病，圍繞的重點(diǎn)主要是如何解決一致性的難題。在電池界，重點(diǎn)是研究和攻關(guān)如何提高單體電池出廠(chǎng)時(shí)的一致性，希望從源頭上解決一致性的問(wèn)題。

 

但現實(shí)卻是殘酷的，各種應用表明，提高出廠(chǎng)時(shí)的一致性的確可以抑制和延遲一致性問(wèn)題發(fā)生的時(shí)間，但卻無(wú)法避免，所以就催生了一個(gè)新的市場(chǎng)應用——電池梯次利用。事實(shí)證明，電池梯次利用的確可以延長(cháng)電池的生命周期和剩余價(jià)值，在一致性問(wèn)題無(wú)法根除之前，梯次利用不失為一種過(guò)渡方案，仍具有一定的推廣價(jià)值。

 

在電池管理界，公認的解決方案是使用電池均衡技術(shù)，通過(guò)電池均衡技術(shù)來(lái)解決電池組的一致性問(wèn)題，然而電池均衡技術(shù)，特別是高效的電池均衡技術(shù)，研發(fā)難度非常大，突破困難，特別是高性?xún)r(jià)比的設計，超出了眾多研發(fā)人員的預期，看似容易解決，實(shí)際上卻非常困難，不少研發(fā)機構都因為研發(fā)難題過(guò)多、難度過(guò)大，無(wú)法攻克而放棄研發(fā)，前功盡棄。

 

電池組均衡技術(shù)能解決多種問(wèn)題，最基本、最重要的職能，一是預防“差”電池的過(guò)充電和過(guò)放電，這一功能一旦得到高效、匹配發(fā)揮，很多與過(guò)充電和過(guò)放電的相關(guān)聯(lián)問(wèn)題就都迎刃而解了，例如穩定容量、熱失控等；二是實(shí)現電池組充、放電容量的最大化。受一致性問(wèn)題的影響，電池組的蓄放電容量取決于容量最小的電池單元，具有典型的“木桶原理”特征。只要均衡問(wèn)題高效解決了，電池組的放電容量快速衰減問(wèn)題也就解決了。

 

 

 

 

鋰電池的放電容量與放電倍率密切相關(guān)，典型的鋰電池放電倍率曲線(xiàn)如圖1所示，通過(guò)這個(gè)曲線(xiàn)，我們可以解讀出如下重要信息：一是電池的放電容量與放電倍率密切關(guān)聯(lián)，放電倍率越大，放電容量越小，要想獲得最大的放電容量，需要盡可能低減小放電倍率；二是要想獲得相同的放電時(shí)間，不同容量的電池應具有相同的放電倍率，這一點(diǎn)，對于存在一致性差異的電池組尤為重要。由此可見(jiàn)，放電倍率決定了電池的實(shí)際放電容量。

 

圖1 鋰電池放電倍率與容量對應關(guān)系曲線(xiàn)

 

 

 

 

電池均衡是通過(guò)調節均衡電流來(lái)調節不同容量電池的實(shí)時(shí)電壓的，均衡電流的自適應能力就是均衡能力，它反映的是均衡電流對電壓差的反應和電流控制能力，單位是安培/毫伏，也可以表示為單位電壓差下的均衡電流，這個(gè)值越大，表明均衡能力越強，抑制電壓差擴大和防控熱失控的能力越強，對電池組的適應性更好。

 

反之，這個(gè)值越小，表明均衡能力越弱，抑制電壓差擴大和防控熱失控的能力越差，對電池組的適應性差。均衡能力不僅體現在充電期間、也體現在放電期間和靜止期間（又稱(chēng)恢復期），理想狀況下的均衡電流與相鄰電池間的相對電壓差呈近似線(xiàn)性關(guān)系，即I=K*ΔU，其中，K是均衡能力系數，對于一個(gè)設計、調試完成的電池均衡器，這個(gè)值接近于一個(gè)常數，K值越大，表示均衡能力越強，ΔU表示相對電壓差，通常以mv來(lái)表示，受均衡功率最大值和效率的限制，ΔU有一個(gè)最大安全值，確保最差電池的電壓不能超過(guò)極值，即不能超過(guò)電池的充電限制電壓和放電截止電壓，超過(guò)最大值后，這個(gè)公式不再適用。

 

電池均衡通常是貫穿于電池組的整個(gè)運行過(guò)程中，因此均衡能力包括充電均衡能力、放電均衡能力和靜態(tài)均衡能力。下面分別論述。

 

3.1 充電均衡能力

 

充電期間的熱失控發(fā)生機理告訴我們，控制熱失控必須控制單元電池的充電電壓和充電電流，這里所述的電壓是指單元電池的實(shí)時(shí)電壓，電池均衡技術(shù)的功能和任務(wù)就是通過(guò)對電壓和電流的調節實(shí)現的。

 

只有當分流電流滿(mǎn)足分流要求時(shí)才能有效控制低容量電池的電壓和發(fā)熱量，這就對分流電流提出了一個(gè)很高的要求，電池組中每個(gè)單元電池的絕對電壓和相對電壓差與個(gè)單元實(shí)際容量分布密切關(guān)聯(lián)，并且始終是處于動(dòng)態(tài)變化中的。

 

當電壓一致性差異較小時(shí)，較小的分流電流即可滿(mǎn)足需要，當電壓一致性差異增大時(shí)，則需要較大的分流電流才能滿(mǎn)足低容量電池控制電壓的需要，從這一需求來(lái)看，均衡能力的大小將起到至關(guān)重要的作用。

 

以32串單體200Ah的磷酸鐵鋰電池組為例，假設電池組內有若干單元發(fā)生衰減，最低容量電池的實(shí)際容量只有設計容量的90%，即180Ah，以0.1C電流進(jìn)行充電，充電電流高達20A，對于被動(dòng)均衡而言，最大200-300mA的分流電流相對于20A的充電電流，幾乎起不到明顯的分流作用。

 

最差電池的過(guò)充電風(fēng)險和熱失控風(fēng)險非常大，而對于通常2-3A充電均衡電流的主動(dòng)均衡充電設計基本滿(mǎn)足需要；而對于具有實(shí)時(shí)均衡功能的轉移式電池均衡技術(shù)而然，最大均衡電流則需要達到4.5A方可滿(mǎn)足電池組安全運行的需要。

 

從幾種主流均衡均衡設計支持的均衡電流來(lái)看，對于這類(lèi)大容量、大電流、一致性差異較大的電池組，均衡能力直接決定了電池組能否安全運行。同樣是本電池組，如果最差電池的容量降低至原設計容量的80%，均衡電流較大的的充電均衡也處于超負荷狀態(tài)，而轉移式電池均衡設計的均衡電流則需要高達8.5A左右的均衡電流。

 

對均衡器設計，特別是均衡能力和均衡效率的設計提出了更高的要求。均衡效率主要體現在均衡速度和均衡損耗兩個(gè)方面，均衡速度取決于均衡能力，均衡損耗事關(guān)電能的轉換效率，關(guān)鍵在于系統設計，功率器件的熱損耗越低越好。

 

3.2 放電均衡能力

 

電池組蓄電能力的大小主要取決于一致性健康狀況。也就是取決于電池組內最差電池的容量。最差電池的容量大小就代表了該電池組的實(shí)際容量，如果最差電池的容量衰減非常嚴重，那么就意味著(zhù)電池組的實(shí)際容量非常糟糕，其它電池的容量即使全部正常也無(wú)濟于事，不起任何作用。

 

放電均衡就是要把其它電池的容量充分利用起來(lái)，讓其它“好”電池多放電，彌補最差電池放電能力的不足，從而實(shí)現讓電池組盡可能多地把有效電量釋放出來(lái)，最理想的效果是放電容量接近于所有電池的平均容量，而要實(shí)現這個(gè)目標，放電均衡能力將起到至關(guān)重要的因素。

 

仍以上述電池組為例，由于被動(dòng)均衡和主動(dòng)式充電均衡不支持放電均衡，放電均衡能力為零，因此這樣的電池組即使配置了這兩類(lèi)的電池均衡器，放電期間也不起任何作用，此時(shí)最差電池的放電倍率是正常容量電池的1.1倍，始終處于加速衰減狀態(tài)，并且衰減速度是最快的；只有轉移式電池均衡器的介入才會(huì )降低“差”電池的放電衰減速度。

 

同樣對均衡能力和均衡效率又更高的要求，在前例電池組最大容量相差10%、0.1C放電的情況下，需要的均衡電流約為4.5A，均衡效率應不低于90%，否則難以滿(mǎn)足放電均衡的運行要求。

 

3.3 靜態(tài)均衡能力

 

電池組在完成快速充電并斷開(kāi)充電器后，各單元電池的電壓開(kāi)始回落，電壓差異開(kāi)始縮小，但差異縮小速度快慢取決于電池組的一致性差異情況，當配置了電池均衡器后，電壓差異的減小速度則取決于均衡器的靜態(tài)均衡能力和均衡效率。

 

同樣，電池組在大功率放電結束后，各單元電池的電壓開(kāi)始回彈，衰減嚴重的單元，反彈速度塊，衰減輕微或未衰減的單元，反彈速度滿(mǎn)，反彈速度的差異會(huì )造成電池間的電壓差異反向變化，但反彈速度快慢和電壓差異的變化同樣取決于電池組的一致性差異情況，當配置了電池均衡器后，電壓差異的減小速度則取決于均衡器的靜態(tài)均衡能力和均衡效率。

 

 

 

 

通過(guò)前面的分析，我們知道，均衡能力的高低主要體現在兩個(gè)方面。一是最大支持均衡電流的大��；二是控制電壓差的能力。

 

首先來(lái)闡述均衡電流難以大幅度提高的原因。電池間的電能是無(wú)法直接轉移的，必須通過(guò)轉換電路來(lái)實(shí)現，實(shí)質(zhì)上這個(gè)轉換電路也是一個(gè)特殊電源，需要用到換能器件和續流二極管。其中，續流二極管存在導通電壓和功耗限制，電流和功耗不能過(guò)大，因此二極管的續流能力和工作效率直接限制和制約了均衡器的最大均衡電流和均衡效率，需要進(jìn)行設計的優(yōu)化，特別是提高最大支持均衡電流能力。

 

控制電壓差的能力不僅與均衡電流有關(guān)，而且與控制策略有關(guān)，二者缺一不可，當解決了均衡電流的短板后，均衡策略就是重中之重了�？刂齐妷翰畹姆椒ㄓ腥�種：分別是絕對電壓值法、基準電壓值法和相對電壓控制法。每種方法都各具特點(diǎn)，靈活性和執行效率方面完全取決于設計架構的要求，不能互相取代。

 

 

 

 

通過(guò)前面的分析，我們知道，均衡能力是反映電池均衡器性能優(yōu)劣的重要指標，最大支持均衡電流和均衡效率是均衡能力的關(guān)鍵，是目前市場(chǎng)上各種電池均衡設備亟待解決的難點(diǎn)，也是未來(lái)電池均衡設備研究和需要突破的重點(diǎn)。

 

要解決這個(gè)難點(diǎn)，必須從電池均衡器的設計著(zhù)手，重點(diǎn)之一就是解決續流二極管的大電流損耗問(wèn)題。本文作者另辟蹊徑，引入了同步整流的思想，研發(fā)出適合電池組雙向均衡需求的雙向同步整流技術(shù)，成功地利用功率場(chǎng)效應對管實(shí)現同步整流，代替續流二極管，一舉攻克續流二極管的均衡電流偏小、均衡效率低的難題，很容易就實(shí)現1A/13mv的均衡能力。

 

在功率管不采用散熱片的情況下，實(shí)驗樣機支持的最大連續均衡電流高達5A以上，經(jīng)優(yōu)化設計后的大功率均衡器樣機更是實(shí)現了高達1A/10mv以上的均衡能力，最大連續均衡電流高達10A以上。由于雙向同步整流設計的驅動(dòng)能力很強，支持擴展，最大均衡電流高達20A以上，以適應大功率儲能、動(dòng)力電池組均衡的需求，這是傳統采用續流二極管設計無(wú)法做到的。

 

 

 

 

均衡能力和均衡效率是電池均衡設備性能優(yōu)劣的重要指標，關(guān)系到能否適應電池組均衡和安全運行的需要，特別是預防大電流導致衰減電池過(guò)充電原因引起的熱失控故障的需要，轉移式電池均衡技術(shù)因同時(shí)支持高速充電均衡、放電均衡和靜態(tài)均衡，可以降低充電、放電期間的均衡負荷，間接提高了充電、放電均衡的效率和速度，因而可以更加有效地防控熱失控這個(gè)最大的安全風(fēng)險。

 

參考文獻

周寶林、周全：一種具有雙向同步整流功能的轉移式實(shí)時(shí)電池均衡器

周寶林、周全：轉移式電池均衡技術(shù)對電池電壓與荷電量影響的研究

周寶林、周全：轉移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)對衰減電池組容量和溫升的影響