充電電壓對衰減鋰電池溫升、熱失控影響的研究
時(shí)間：2019-07-04 來(lái)源：未知 作者：admin
1.過(guò)充電的危害
不同廠(chǎng)商和品牌的電動(dòng)車(chē)（包括電動(dòng)汽車(chē)）充電期間電池組發(fā)生起火爆炸的案例大量充斥著(zhù)各種媒體，其根本原因在于電池組的一致性問(wèn)題，特別是因外部使用環(huán)境造成的一致性問(wèn)題未能有效控制、解決，導致個(gè)別單元電池的長(cháng)時(shí)間過(guò)度充電，引起電池的熱失控，最終導致電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生火災。
為什么電池組長(cháng)時(shí)間充電會(huì )發(fā)熱嚴重，特別是使用一段時(shí)間后發(fā)生衰減跡象的電池組，通過(guò)對充電發(fā)熱電池組的解剖和專(zhuān)業(yè)檢測發(fā)現，主要是由于電池組一致性差異問(wèn)題的普遍存在造成的，這種電池組存在明顯衰減電池，并且衰減電池內阻明顯增大，從而導致電池組發(fā)熱問(wèn)題具有普遍性，針對這一問(wèn)題，作者開(kāi)展了長(cháng)達一年多持續研究，深入探究充電電壓對衰減電池溫升和熱失控的影響。
鋰電池結構及充放電原理，要求鋰電池使用期間的電壓必須要控制在安全區間，嚴禁過(guò)充電和過(guò)放電，這就是鋰電池單獨使用時(shí)必須要配套一塊鋰電池保護板的原因，實(shí)際上，不同類(lèi)型鋰電池的充放電截止電壓值并不是絕對的，有少量的冗余。
短時(shí)間內，充電電壓少量超過(guò)充電截止電壓不會(huì )對鋰電池產(chǎn)生傷害，但嚴禁長(cháng)時(shí)間連續進(jìn)行這種過(guò)充電操作，否則對鋰電池的傷害將是不可逆的，除了容量降低、內阻和自放電率增大外，影響最大的是安全性降低，溫度快速升高，容易引發(fā)熱失控，繼而發(fā)生爆炸、著(zhù)火等危險。
對鋰電池過(guò)充電，特別是連續、長(cháng)時(shí)間的過(guò)度充電，過(guò)度充電直接影響電池極板結構、隔膜和電解液的穩定性，不僅會(huì )造成容量永久性下降，而且內阻持續增大，動(dòng)力性能下降。此外，個(gè)別衰減電池還會(huì )產(chǎn)生漏電增大、存不住電、浮充電流持續居高不下等問(wèn)題，這些問(wèn)題的出現，會(huì )使得鋰電池在一定充電電壓下發(fā)熱明顯，還會(huì )通過(guò)熱傳遞對相鄰的鋰電池進(jìn)行加熱，進(jìn)一步加劇鋰電池的衰減。
而當充電結束電壓恢復正常甚至適當降低的時(shí)候，漏電流和溫升都會(huì )明顯下降，衰減速度降低，循環(huán)充放電次數增加，為了研究充電電壓對鋰電池溫升和漏電流的影響，作者通過(guò)連續科學(xué)實(shí)驗進(jìn)行了求證，獲取大量的科學(xué)實(shí)驗數據，通過(guò)科學(xué)的數據分析，得出非常有價(jià)值的結論，下面結合具體的系統實(shí)驗和數據進(jìn)行分析和闡述。
2.實(shí)驗案例
為使實(shí)驗更具普遍性，實(shí)驗所用電池全部為梯次利用電池，并且具有典型的一致性差異特征，實(shí)驗電池組為4串鋰電池組，如圖所示（下方設備為高效實(shí)時(shí)電池均衡器樣機），均為過(guò)充電（過(guò)放電）原因引起的退役電池，已循環(huán)使用次數未知，原設計容量為2.2Ah，實(shí)際剩余容量為1#：1.22Ah、2#：0.95Ah、3#：1.73Ah、4#：1.94Ah（放電截止電壓3.00V），實(shí)際剩余容量分別為原設計容量的55.5%、43.2%、78.6%和88.2%。
通過(guò)容量檢測參數可以看到，1#和2#電池的容量衰減非常嚴重，這些電池都有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是自放電率遠遠高于正常容量電池（自放電率差異會(huì )加速一致性劣化），在充滿(mǎn)電的情況下，即使不連接任何負載，開(kāi)路電壓也會(huì )以較快的速度降低，為防止電池在充放電期間再次發(fā)生過(guò)充和過(guò)放問(wèn)題，循環(huán)實(shí)驗全程連接高效電池均衡器樣機，即實(shí)行均衡充電和均衡放電。
均衡充電采用CC/CV模式，充電電流為1A、限壓充電，由于均衡器的介入，任一電池的最高充電電壓可以控制在4.25V以?xún)�，不�?huì )發(fā)生過(guò)充電；恒流均衡放電：放電電流1A，總放電截止電壓12.0V，同樣由于均衡器的介入，任一電池的最低放電電壓可以控制在2.9V以上，不會(huì )發(fā)生過(guò)放電。作為研究和對照，實(shí)驗分為兩個(gè)階段進(jìn)行。
實(shí)驗用4串梯次利用鋰電池組及均衡器樣機
第一階段：全程采用專(zhuān)用充電器進(jìn)行CC/CV模式充電，限流1A、限壓16.8V充電，在初期的100次循環(huán)中，特別是充電環(huán)節的后期（浮充電期間），在均衡器的介入下，4塊電池的外殼溫度（采用紅外測溫儀測量，下同）比較接近，沒(méi)有明顯的區別，與環(huán)境溫度差距不大，浮充電流也在合理范圍，放電容量基本平穩，整體容量呈現緩慢線(xiàn)性下降的狀態(tài)，符合電池的容量衰減規律。
在101—300次循環(huán)期間，在浮充電壓不變的情況下，整組電池的浮充電流以及1#和2#電池的溫升呈現緩慢、逐漸增大的趨勢，最大浮充電流高達0.18A，經(jīng)檢測，浮充電流增大主要是由于1#和2#電池漏電流增大引起均衡器自動(dòng)干預的結果，在實(shí)驗電池全天候處于開(kāi)放的環(huán)境下，充電期間的最大溫升均明顯超過(guò)3#和4#電池，最大溫差達到9℃左右，溫度最高的是2#電池，測量數據如表1所示，同時(shí)，整組電池的實(shí)際放電容量平穩下降，符合電池的容量衰減規律。
第二階段：根據第一階段衰減嚴重的1#和2#電池充電溫升和浮充電流不斷上升的實(shí)際情況，在301—500次循環(huán)期間，對整組最大充電電電壓進(jìn)行了下調，按照每塊電池下調0.1V的幅度，整體充電電壓下調至16.4V，隨著(zhù)充電電壓的下降，在第二階段發(fā)熱嚴重的1#和2#電池的溫升開(kāi)始大幅度下降，與3#和4#電池的溫升基本相同，略高于環(huán)境溫度。
在長(cháng)達連續200次的均衡充放電循環(huán)中，充電期間以及浮充期間的的溫升差異始終很小，沒(méi)有明顯變化，特別是浮充電期間，溫升的絕對值和相對值遠遠低于第一階段，整組電池放電容量雖然比一階段略有減少，但安全性和穩定性大幅度提高，特別是對于預防“熱失控”效果非常顯著(zhù)，繼而可以大幅度延長(cháng)電池的循環(huán)使用壽命，從而得出了降低衰減電池充電電壓會(huì )直接降低電池溫升和漏電流的實(shí)驗結論。
同時(shí)降低平均充電電壓還可以最大限度地降低衰減電池的過(guò)充電概率，雖然降低充電電壓會(huì )減少鋰電池的的充電容量和縮短續航時(shí)間，但降低比例很小，換來(lái)的卻是鋰電池組的高運行安全系數、低“熱失控”風(fēng)險和長(cháng)循環(huán)壽命，意義同樣非常重大。
表1 衰減鋰電池浮充電壓與溫升關(guān)系表
經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段的連續循環(huán)實(shí)驗，結合電池溫升、放電容量和浮充電流的變化，得出如下結論：對于衰減電池，降低充電電壓雖然令電池的放電容量有所下降，但是卻明顯降低了電池的發(fā)熱溫度、降低了衰減電池發(fā)生熱失控的風(fēng)險概率，提高了電池的安全性和循環(huán)實(shí)施壽命。
3.拓展實(shí)驗
通過(guò)前面的連續均衡充放電實(shí)驗發(fā)現，衰減嚴重的1#和2#鋰電池溫升對充電電壓比較敏感，當充電電壓處于4.2V時(shí)，溫升相對較高，非常明顯，漏電流也較大，劣化程度遠超過(guò)3#和4#鋰電池；當將充電電壓下調至4.1V時(shí)，1#和2#鋰電池溫升明顯下降，與衰減較輕的3#和4#鋰電池相當，漏電流也大幅度下降。
當將第二階段實(shí)驗結束的電池組重新恢復成第一階段實(shí)驗參數時(shí)，第一階段浮充階段的電池溫升等表現雖然又重新出現，但溫升和浮充電流略有下降，在環(huán)境溫度基本相同的情況下，1#和2#電池的溫升平均下降2～3℃，浮充電流下降至0.14A左右。
由此可以得出兩個(gè)關(guān)系結論：一是充電電壓與自放電率、漏電流、溫升、熱失控之間存在一定的關(guān)系，如圖2所示，圖中，↑符號表示上升，↓符號表示下降；二是上述指標的劣化幅度與電池的衰減程度有關(guān)，衰減越嚴重，劣化幅度越大；三是高效電池均衡器的長(cháng)時(shí)間連續介入直接影響并改善了衰減鋰電池的電化學(xué)特性，對衰減鋰電池具有一定的修復作用。
這項連續研究實(shí)驗是在高效實(shí)時(shí)電池均衡器介入下完成的，目的是檢驗相同電壓下不同衰減程度鋰電池的漏電流和發(fā)熱溫升情況，并進(jìn)行比較，尋找內在規律。在移除實(shí)驗用電池均衡器的情況下進(jìn)行同樣的充放電循環(huán)實(shí)驗時(shí)，衰減嚴重的1#和2#鋰電池的電壓表現瞬間就發(fā)生劣化，遠遠超出最大允許范圍，實(shí)際溫升比第一階段末期還要高，“熱失控”風(fēng)險程度提高。
圖2 充電電壓與自放電率、漏電流、溫升、熱失控之間的關(guān)系
為了對上述結論進(jìn)行進(jìn)一步驗證，接下來(lái)，在保持均衡器連接的基礎上，將電池組的充電電壓提高至17.2V，由于高效電池均衡器的介入和干預，等于每塊電池的電壓再提高0.1V，達到4.3V，再進(jìn)行同樣的均衡充電實(shí)驗，結果發(fā)現，待電壓完全平衡并進(jìn)入浮充電狀態(tài)后，在相同的室溫環(huán)境下浮充電流增大到0.21A左右，1#和2#電池的溫升進(jìn)一步提高，無(wú)論是絕對值還是相對值都高于衰減程度較低的3#和4#鋰電池，進(jìn)一步驗證了充電電壓對衰減電池影響的結論。
4.實(shí)驗數據分析與建議
通過(guò)連續實(shí)驗及測量數據發(fā)現，電池衰減后，自放電率和內阻上升，導致電池的漏電流增大，而漏電流的增大又反過(guò)來(lái)提高電池的溫升，加之內阻的增大又助推溫度的提升，溫升提高后又會(huì )加大自放電率，從而形成典型的正反饋，加速衰減電池的進(jìn)一步劣化，在無(wú)法實(shí)時(shí)控制和限制最高充電截止電壓的情況下，衰減電池的充電溫升會(huì )快速上升，存在較高的熱失控風(fēng)險。
如果最高充電電壓超過(guò)電解液的分解電壓，衰減電池的溫升將在短時(shí)間內急速上升，熱失控風(fēng)險進(jìn)一步加大，極有可能會(huì )引發(fā)熱失控故障。這種情況與電動(dòng)汽車(chē)在出廠(chǎng)時(shí)電池組運行比較安全，而在使用一段時(shí)間后，如幾個(gè)月或幾年個(gè)別車(chē)輛充電時(shí)發(fā)生起火爆炸的情形非常相似，問(wèn)題的實(shí)質(zhì)都是由于電池組的一致性問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決引起的。
相反，降低電池組的充電電壓，間接性地降低了衰減電池的充電電壓，雖然續航里程有所降低，但存在衰減電池的電池組安全性提升，這一點(diǎn)，與電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)商推薦用戶(hù)在充電時(shí)只充電80%左右就停止充電的推薦做法是相吻合的，這是因為，電池組只充電80%，直接降低了衰減電池的充電電壓，安全性自然就會(huì )好一點(diǎn)。
本文實(shí)例的第二階段中，平均充電電壓下調0.1V，雖然充電容量和放電容量會(huì )下降約10～20%，減少了續航時(shí)間，但安全性卻大幅度提高，利大于弊。這種方法如果將其應用于電動(dòng)汽車(chē)，必將提高電動(dòng)汽車(chē)的電池安全性，減少充電（包括快速充電后的一段時(shí)間內）爆炸、起火的概率，畢竟安全才是第一位的。
高效電池均衡技術(shù)的介入雖然并不能消除電池組的一致性問(wèn)題，但會(huì )減緩和阻止一致性問(wèn)題的深入發(fā)展，并且對衰減電池具有一定的修復作用，介入的越早，所起的作用和效果就越好。
5、結論與展望
本文通過(guò)對4串梯次利用鋰電池組在不同充電電壓下的均衡充放電循環(huán)實(shí)驗數據表明，適當降低鋰電池的充電電壓，對于已經(jīng)發(fā)生衰減的鋰電池意義重大，降低溫升、降低漏電流效果顯著(zhù)，隨著(zhù)高效電池均衡器的介入和干預，將衰減電池的電壓始終控制在安全電壓范圍內，電池組內衰減電池單元的過(guò)充電和過(guò)放電概率大幅度降低，進(jìn)一步提高電池組的運行安全性。
這種思想，加之配置高效電池均衡技術(shù)，如果是應用到電動(dòng)汽車(chē)所使用的多并多串鋰電池組，那么電動(dòng)汽車(chē)的電池組安全性就會(huì )得到大幅度提升，充電時(shí)發(fā)生爆炸、著(zhù)火的概率就會(huì )大幅度下降。鑒于目前高效電池均衡技術(shù)研發(fā)難度大、成本高、難以普及的現實(shí)，同時(shí)基于BMS管理后臺能夠監測單元電池最大充電電壓和控制整組電池充電電壓的實(shí)際，采用限制最大充電電壓的方法來(lái)提高電池組的運行安全性不失為一種簡(jiǎn)單、有效的技術(shù)手段。
參考文獻
[1]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
[2]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
[3]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
