關(guān)鍵詞：過(guò)充電，過(guò)放電，一致性，熱失控，實(shí)時(shí)均衡

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一致性問(wèn)題產(chǎn)生的原因及表現

    電池組一致性差異管理難題由來(lái)已久，長(cháng)期以來(lái)，一直困擾著(zhù)電池廠(chǎng)商、廣大用戶(hù)和技術(shù)管理人員，難以有效解決，其產(chǎn)生原因是多方面的，既包括電池組自身的原因，與電池的生產(chǎn)工藝、品控和配組有關(guān)，簡(jiǎn)稱(chēng)稱(chēng)內因；也包括使用期間的外界因素，如溫度差異、充放電流、充放電壓、充放倍率等，簡(jiǎn)稱(chēng)外因。大量檢測數據表明，外因是導致電池組一致性快速劣化的最主要原因。內因和外因共同相互作用，最終導致一致性問(wèn)題越來(lái)越嚴重。

    電池組發(fā)生一致性問(wèn)題后的典型表現為：一是電壓變化，組內電池的電壓在充電和放電期間總是存在個(gè)別單元電池電壓出現過(guò)高和過(guò)低的問(wèn)題，充電時(shí)電壓快速上升，放電時(shí)電壓快速下降，停止放電時(shí)，電壓又快速反彈，恢復正常；二是充放電時(shí)間變化，充電時(shí)很快就提示充滿(mǎn)電，放電時(shí)電量很快就放完，持續放電時(shí)間大幅度縮短，無(wú)論是充電時(shí)間還是放電時(shí)間都遠遠低于使用初期；

    三是充放電容量變化，無(wú)論是充電計量容量還是放電容量都遠遠的低于使用初期，容量縮水嚴重；四是帶負載能力變化，同樣的負載，特別是感性負載，如電機，動(dòng)力性能快速下降；五是電池溫升變化，充電和放電期間，個(gè)別電池的溫升明顯過(guò)大，遠高于組內的其它電池；六是電池外形發(fā)生明顯變化，個(gè)別電池的外廓尺寸發(fā)生明顯變化，特別是方形電池，突起現象明顯（內部壓力過(guò)大所致）。上述任意現象都表明，電池組發(fā)生了典型的一致性問(wèn)題。

    通過(guò)對問(wèn)題電池組的檢測發(fā)現，以容量衰減引發(fā)故障的比例最大。其次是局部單元漏電和內短路。本文以容量衰減原因引發(fā)電池組問(wèn)題進(jìn)行闡述和分析，并提出切實(shí)高效的解決方案，特別是技術(shù)管理方案。而局部單元漏電和內短路通常與電池生產(chǎn)工藝與品控有關(guān)，不在本文討論范疇。

 

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容量衰減電池電壓特征

    容量衰減電池相對于正常容量電池，其電壓表現非常明顯，特別是在充放電階段，具有明顯的規律性特征，本文以單并多串標準電池組為例進(jìn)行闡述，這是因為流經(jīng)每一塊電池的充電和放電電流始終是相同的。

充電階段，衰減電池的電壓上升速度高于正常電池，衰減越嚴重，電壓增長(cháng)速度越快，很容易就會(huì )超過(guò)充電限制電壓；

放電階段：衰減電池的電壓下降速度高于正常電池，衰竭越嚴重，電壓下降速度越快，很容易就會(huì )低于放電截止電壓；

浮充階段：如果衰減電池的漏電流未發(fā)生變化，則電壓通常大于正常電池電壓，因此在浮充階段通過(guò)電壓來(lái)判斷電池是否發(fā)生衰減是不可靠的。

 

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抑制衰減電池電壓快速波動(dòng)方案

    理論和實(shí)踐證明，電池的過(guò)充電和過(guò)放電對其破壞性非常大，每發(fā)生一次都會(huì )造成不可恢復的損傷，并且這種被動(dòng)損傷呈累積效應，甚至引發(fā)爆炸、著(zhù)火等安全事故。因此，必須通過(guò)技術(shù)手段確保電池的運行安全，最主要的是要嚴格控制衰減電池的過(guò)充電和過(guò)放電，對于一致性較好的電池組，每塊電池的實(shí)時(shí)電壓和充放電倍率幾乎是相同的，所以電池組才有良好的表現。

    當電池組發(fā)生一致性問(wèn)題后，電壓會(huì )隨之發(fā)生變化，對于電池組中的衰減電池，在充電期間為了控制其電壓上升速度，希望適當降低其充電電流，或者適當加大正常電池的充電電流，目的是對不同容量電池進(jìn)行等倍率充電，這樣不同容量電池的電壓才可能同步上升。同樣，在放電期間。為了控制衰減電池電壓下降速度，希望適當降低其放電電流，或者適當加大正常電池的放電電流，對不同容量電池進(jìn)行等倍率放電，這樣不同容量電池電壓才可能同步下降。

    而要實(shí)現這一目標，現有的技術(shù)條件下，必須依靠電池均衡器才可能實(shí)現，通過(guò)電池均衡器的介入和干預，自動(dòng)調節不同容量電池的充放電電流來(lái)調節它們的充放電倍率，最終實(shí)現電壓的實(shí)時(shí)一致或相近。

    為了解決電池組的一致性問(wèn)題，電池生產(chǎn)廠(chǎng)商的方案是從電池生產(chǎn)制造工藝技術(shù)和品控著(zhù)手，實(shí)踐證明，的確可以提高出廠(chǎng)時(shí)的一致性，但隨著(zhù)電池成組后電池環(huán)境的差異變化，一致性問(wèn)題仍然繼續出現，無(wú)法根治一致性問(wèn)題，但可以肯定的是，提高出廠(chǎng)時(shí)一致性的措施確實(shí)可以延緩一致性問(wèn)題發(fā)生的時(shí)間。

    既然無(wú)法從出廠(chǎng)品控上解決電池組的一致性問(wèn)題，那么我們就從電池組管理技術(shù)著(zhù)手。第一種方案，使用BMS電池管理技術(shù)。利用BMS的實(shí)時(shí)監測和集中控制功能最大限度地控制衰減電池的過(guò)充和過(guò)放，但是這樣做雖然可以解決電池組的安全運行問(wèn)題，但會(huì )降低電池組的可利用容量，高于放電終止電壓的電池容量無(wú)法得到利用，浪費有效容量，一致性問(wèn)題越嚴重，容量利用率越低，串數越多，問(wèn)題越突出。

    設計BMS電池管理系統的本意之一是保護電池，延長(cháng)電池組的循環(huán)使用壽命，但現實(shí)是真實(shí)、殘酷的，很多安裝了BMS的電池組依然故障頻發(fā)，頻繁出現在生活中、媒體上。問(wèn)題的原因，一是BMS本身故障失控。

    二是BMS提供的保護功能存在技術(shù)缺陷。第二種方案，使用電池均衡技術(shù)。目前已知的電池均衡技術(shù)主要有三類(lèi)。分別是電阻耗能式被動(dòng)電池均衡技術(shù)、充電均衡技術(shù)以及轉移式電池均衡技術(shù)。按照均衡原理、均衡效率、均衡速度、以及實(shí)用性來(lái)看，轉移式電池均衡技術(shù)是未來(lái)發(fā)展方向，但是由于受技術(shù)架構、研發(fā)路線(xiàn)和研發(fā)難度等因素的影響，這項技術(shù)的研發(fā)困難重重，難度之大超乎研發(fā)者的預期。

    另外，研發(fā)人員又希望將成本控制在合理區間，導致這項技術(shù)目前進(jìn)展依然緩慢，由于存在大量的技術(shù)難題需要攻克，但又攻克困難，所以很多當初信心滿(mǎn)滿(mǎn)的研發(fā)團體、企業(yè)都是因為面臨的技術(shù)難題長(cháng)時(shí)間解決不了，而最終選擇了放棄研發(fā)，截至目前，研發(fā)取得成功甚至實(shí)現商品化的企業(yè)寥寥無(wú)幾。

 

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電池均衡要重點(diǎn)解決的問(wèn)題

    通過(guò)對大量報廢電池組的拆解、檢測分析發(fā)現，電池組提前報廢的最主要原因是一致性問(wèn)題引起的，而一致性問(wèn)題的最大根源是單元電池的過(guò)充電和過(guò)放電，因此，解決一致性問(wèn)題就必須從解決單元電池的防過(guò)充電和過(guò)放電入手，必須通過(guò)技術(shù)手段自動(dòng)降低衰減電池的充放電電流，從而降低衰減電池的充電速度和放電速度，使之與正常電池保持電壓同步上升和下降。

    但由于串聯(lián)電池組中每塊電池的充放電電流都是相同的，因此，電池均衡技術(shù)必須解決電流的高速分流問(wèn)題，既能在充電期間分流，也能在放電期間分流，由于電池的衰減是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，表現出的電壓差也是變化的，因此，均衡電流也必須是動(dòng)態(tài)變化的，以適應電壓差的變化，這就對均衡電流提出了更高要求，單一的恒定均衡電流無(wú)法滿(mǎn)足對均衡電流的需求，必須要在一個(gè)較寬的范圍內自動(dòng)調節、自適應變化。

    這是因為，第一，充電前（靜止期），衰減電池與正常電池的電壓差通常較小，較小的均衡電流即可滿(mǎn)足電壓均衡的需要，剛開(kāi)始充電時(shí)，電壓差同樣較小，需要的均衡電流也較小，隨著(zhù)充電的進(jìn)行，電壓差開(kāi)始拉大，并且呈加速狀態(tài)，這時(shí)就要求均衡電流必須同步增大，以阻止電壓差的擴大，而恒定均衡電流設計，通常設定均衡啟動(dòng)電壓差，如果電壓差小于啟動(dòng)電壓差，均衡不啟動(dòng)，減少了均衡時(shí)間，必然影響均衡效率，而到了臨近充電結束的末期，電壓差較大，需要較大的均衡電流，但固定的恒流均衡電流式設計，又無(wú)法滿(mǎn)足需求，如果充電電流很大，衰減電池同樣存在過(guò)充電的風(fēng)險，只有動(dòng)態(tài)均衡電流式設計才能適應這種變化和電流調節；

    第二，放電初期電壓差較小，對于恒定均衡電流設計，由于啟動(dòng)電壓差的限定，均衡通常不啟動(dòng)，而到了放電中后期，電壓差較大時(shí)，需要較大的均衡電流，而固定的恒流均衡電流式設計又無(wú)法根據需求提供較大的均衡電流，衰減電池存在過(guò)放電的風(fēng)險；

    第三，在充放電恢復期和靜止期，正常電池與衰減電池的電壓差異通常都不大，較小的均衡電流即可滿(mǎn)足需要，通過(guò)在不同電壓的電池間的小均衡電流流動(dòng)，從化學(xué)活性的角度，可以激活鋰離子的活性，實(shí)現部分容量的激活及恢復，因此，基于上述需求，理想的電池均衡技術(shù)應該具有實(shí)時(shí)均衡的功能，以動(dòng)態(tài)電流實(shí)現全過(guò)程的均衡。

    均衡效率是電池均衡技術(shù)中一個(gè)非常重要的參數。均衡的實(shí)現必然要進(jìn)行電能和電流的調整。理想狀態(tài)是輸入與輸出相等，但在實(shí)際中永遠無(wú)法實(shí)現，只是希望輸出與輸入的比值越大越好，比值越大，說(shuō)明電能和電流的利用率高，節能效果好；比值越小，說(shuō)明電能和電流的利用率低，節能效果差。

    在目前的三類(lèi)電池均衡技術(shù)中。實(shí)現方式多種多樣，均衡效率由高到低分別為：轉移式電池均衡技術(shù)>充電均衡>被動(dòng)均衡。轉移式電池均衡技術(shù)，不僅均衡效率最高，均衡速度也是最快的，雖然其研發(fā)成本和實(shí)現難度也是最大的，但代表了電池均衡技術(shù)的發(fā)展方向，最具有發(fā)展前途，是高價(jià)值電池組的首選。

    轉移式電池均衡技術(shù)理論和樣機實(shí)驗數據表明，這項技術(shù)具有解決電池過(guò)充電和過(guò)放電以及一致性問(wèn)題的優(yōu)勢，是其它兩類(lèi)電池均衡技術(shù)無(wú)法比擬的，是一種真正意義上的電池均衡技術(shù)�；�于該技術(shù)目前存在的各種難題和困難，還需要研發(fā)人員進(jìn)行持續不斷地進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，來(lái)解決諸如最大動(dòng)態(tài)電流范圍、均衡效率、對電池的適應性、對串數的適應性以及與BMS電池管理系統的聯(lián)控等難題。

 

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BMS在電池組一致性上的管理缺陷

    BMS對于保障電池組的安全運行及管理，確實(shí)可以起到不可替代的作用，但其缺陷也是非常明顯的，特別是在一致性管理方面，存在非常大的短板，確切的說(shuō)，BMS尚未解決電池組的一致性難題。市場(chǎng)上大量安裝BMS的電動(dòng)汽車(chē)，并沒(méi)有因為BMS的存在而使一致性問(wèn)題消失，經(jīng)常發(fā)生充電起火、運行中起火等事故，就是典型的一致性問(wèn)題加重后引起的。

    即使BMS在控制電池過(guò)充和過(guò)放方面非常有效，并且控制成功，但由于在電池均衡方面的短板，電池組的有效容量利用率低，低于平均容量，個(gè)別單元電池的衰減越嚴重，這一問(wèn)題越突出，電動(dòng)汽車(chē)行駛里程快速衰減就是一個(gè)典型例子。

 

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實(shí)例及分析

    下面以13串梯次利用鋰電池組在不同放電模式下的放電時(shí)間對比數據來(lái)進(jìn)行分析和闡述。實(shí)驗所用電池全部為報廢電池組拆解下來(lái)的梯次利用電池，分別來(lái)自于不同電池廠(chǎng)商，具有不同的充放電曲線(xiàn)，1A放電檢測容量從0.55Ah至1.90Ah不等，最大容量差異達到3.5倍，內阻在71毫歐至118毫歐之間不等，內阻一項參數就表明電池衰減較為嚴重。

    用這樣的梯次電池組成的電池組仍為典型的一致性很差的電池組，以下所有的數據均來(lái)自這個(gè)實(shí)驗電池組。為了驗證均衡器的均衡能力和對容量的利用率，充放電參數采用相同的標準，即充電采用CC/CV模式，最大充電電流為1A，整組電池充電截止電壓限制為4.2*13=54.6V，或者當任意一塊電池的充電電壓達到4.25V時(shí)停止充電，防止個(gè)別電池過(guò)充電；

    放電采用CC模式，放電電流為1A，整組電池終止電壓控制為3.0*13=39.0V，或者當任意一塊電池的放電電壓達到3.00V時(shí)停止放電，防止個(gè)別電池過(guò)放電。實(shí)驗開(kāi)始前，所有電池先通過(guò)均衡器的均衡充電功能進(jìn)行均衡充電。

    評價(jià)電池組容量的最好方法是測量其放電容量，下面通過(guò)常規放電和均衡放電的時(shí)間和對應放電容量進(jìn)行分析和闡述。

    常規放電數據。本電池組中單元電池的最小容量是0.55Ah，代表了該電池組的實(shí)際容量，雖然其它電池的容量均相對比較大，但卻起不到任何作用，完全符合“木桶原理”中的短板效應，實(shí)際放電時(shí)間只有33分鐘，放電結束時(shí)的電壓情況如圖1所示（平臺右側帶有“電池供電”字樣電池只負責高精度電壓表頭供電，不參與充放電過(guò)程，下同）。

    通過(guò)顯示的實(shí)時(shí)電壓可以看到，10#電池（下排紅色）已經(jīng)到達放電截止電壓，但其它電池的電壓距離放電截止電壓還剩余較多，說(shuō)明還剩余較多電量沒(méi)有釋放出來(lái)，容量浪費嚴重。

圖1 常規放電結束時(shí)各電池剩余電壓

    均衡放電數據。對該電池組在均衡器的介入下重新進(jìn)行標準充電，在放電參數不變的情況下實(shí)際放電時(shí)間高達58分鐘，計算放電容量高達0.97Ah，是標準放電容量的1.76倍，放電結束時(shí)電壓情況如圖2所示，13#電池首先到達放電截止電壓，但其它電池電壓也都基本接近放電截止電壓，最高電壓為12#電池（下排右側第三塊電池），只剩下3.070V，整組電池的最大電壓差只有70mV，所有電池存儲的電量基本釋放完畢，實(shí)現了容量的最大化利用。

圖2 均衡放電結束時(shí)各電池剩余電壓

    在均衡放電對比實(shí)驗中，通過(guò)對放電期間的電池進(jìn)行紅外測溫發(fā)現，在標準放電結束時(shí)溫升相對較高的10#電池，在均衡放電中的溫度始終處于較低的水平，原因就是其實(shí)際放電電流大幅度降低，因內阻原因導致的損耗大幅度降低，故而溫升較低。

    放電均衡的實(shí)現主要是得益于均衡器的設計采用的是差異化電流控制及高效率電能轉換，每一塊電池都具有不同的放電電流，差異化放電，大容量電池放電電流大一些，小容量電池放電電流小一些，最終實(shí)現不同容量電池實(shí)現等倍率放電，因此不同容量電池才具有幾乎相同的放電時(shí)間。

    通過(guò)放電對比實(shí)驗可以看到，均衡放電的最大意義在于：一是有效控制了嚴重衰減電池的過(guò)放電問(wèn)題，使其不被過(guò)放電；二是實(shí)現了每一塊電池容量都得到高效利用，整組電池的實(shí)際放電容量非常接近于所有電池的平均容量，避免了容量的浪費。

    電池均衡的核心目的是保證電池組在安全充放電的情況下存儲和釋放最多的電量，不必強求每一塊電池的電壓都實(shí)時(shí)相同，只要保證在整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有電池進(jìn)入過(guò)放電或過(guò)充電狀態(tài)即可滿(mǎn)足需要。

    本文所用電池均衡器設計，同時(shí)支持靜態(tài)均衡、充電均衡，另外，其獨特的雙向同步整流設計使其支持大電流均衡，適應于高速均衡的需要，但限于篇幅，相關(guān)技術(shù)原理和實(shí)驗對照數據不再介紹。

 

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展望

    在串聯(lián)電池組中，個(gè)別單元電池的過(guò)充電和過(guò)放電是造成電池組一致性問(wèn)題的根源，引發(fā)的熱失控極其后果是嚴重的，不通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)手段去解決這個(gè)問(wèn)題，一致性問(wèn)題將永遠存在，鋰電池的梯次利用就是一個(gè)典型例子，為什么要提倡和鼓勵進(jìn)行梯次利用？主要原因就是因為一致性問(wèn)題解決的不好，產(chǎn)生的擬“梯次利用”電池太多，尚有利用價(jià)值，無(wú)法直接處置。

    如果一致性問(wèn)題解決了，可重復利用的梯次電池數量將會(huì )大幅度減少，除了整組電池的容量降低外，幾乎不會(huì )產(chǎn)生其它問(wèn)題，可以直接使用在對容量要求不高的場(chǎng)合，如果空間滿(mǎn)足，可以直接并聯(lián)使用在空間較寬松的儲能場(chǎng)合，如儲能電站、通訊基站等。

 

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