動(dòng)力電池組的一致性問(wèn)題是導致電池組快速衰減、發(fā)生熱失控故障、使用壽命遠低于設計壽命的主要原因。提前報廢的電池組，很多單元電池還處于健康狀態(tài)，仍具有較高的利用價(jià)值，通過(guò)合理的梯次利用，可繼續發(fā)揮其余熱。但一致性問(wèn)題不解決，新組裝的梯次利用電池組仍會(huì )在較短的時(shí)間內同樣發(fā)生一致性問(wèn)題，研究和實(shí)驗表明，高效解決一致性問(wèn)題才是電池組安全運行和耐用的根本。

 

關(guān)鍵詞：梯次電池、一致性、電池均衡、熱失控

一、梯次利用的必要性

    鋰電池使用量最大的設備是電動(dòng)汽車(chē)，隨著(zhù)第一批電動(dòng)汽車(chē)使用年限的逐漸到來(lái)，大量車(chē)用鋰電池組面臨退役和報廢處理，數量以萬(wàn)噸為單位，如此龐大數量的鋰電池，直接按報廢程序和流程處理顯然是不合適的。

    這是因為退役或報廢電池組中并非所有電池都處于報廢狀態(tài)，由于不一致性原因，通常只是個(gè)別單元的電池報廢，組內的很多電池還處于良好的生命周期內，仍有較高的梯次利用價(jià)值，可以通過(guò)合適的梯次利用方案繼續發(fā)揮余熱。

    近些年來(lái)，電池組梯次利用的呼聲與研討一直在持續，這種聲音，是積極的、正面的，是環(huán)保意識、資源再利用意識得到進(jìn)一步增強的體現，一些企業(yè)已經(jīng)開(kāi)展了這方面的嘗試。

 

二、梯次利用的現狀

    理想很豐滿(mǎn)，現實(shí)很殘酷，是退役電池組梯次利用的真實(shí)寫(xiě)照。為了延長(cháng)退役電池的使用壽命和剩余價(jià)值，國家、政府鼓勵企業(yè)和社會(huì )力量開(kāi)展對大量退役電池進(jìn)行梯次利用，減少報廢電池數量、減少環(huán)境污染，然而梯次電池的利用現實(shí)卻非常殘酷，特別是其安全問(wèn)題。

    由于電池組的一致性問(wèn)題在全世界都是一個(gè)技術(shù)難題，尚沒(méi)有高效、徹底和經(jīng)濟的解決方案和技術(shù)，使得梯次利用電池組的運行安全性遠遠低于原電池組，并且梯次利用的安全、循環(huán)壽命和再利用價(jià)值無(wú)法得到保證。所以，電池組梯次利用在具體應用層面和市場(chǎng)反應遠不如預期的好。下面通過(guò)幾個(gè)案例進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

    據報道，自2018年5月以來(lái)，韓國儲能行業(yè)發(fā)生23起嚴重火災。2019年6月11日，韓國政府正式公布調查結果，所有23起儲能系統火災事故中有14起在充電后發(fā)生， 6起發(fā)生在充放電過(guò)程中，3件是在安裝和施工途中發(fā)生火災。從火災事故起數可以看出，因電池充放電原因發(fā)生的事故數量和比例占了絕大多數，可見(jiàn)電池安全管理在電池組的安全運行中是多么的重要。

    根據官方機構統計，2018年我國新能源汽車(chē)起火事件至少發(fā)生40起。而今年以來(lái)，新能源汽車(chē)起火事件依然頻發(fā)，在4月21日至4月24日的四天時(shí)間內連續發(fā)生三起起火事故。與此同時(shí)新能源整車(chē)召回事件也頻發(fā)，其中因電池安全而引起的召回較2018年明顯增多。

    業(yè)內人士認為，電池安全是新能源汽車(chē)起火最關(guān)鍵的因素，電池安全管理缺陷，特別是一致性管理難題會(huì )導致車(chē)輛在使用過(guò)程中可能發(fā)生電池包內部過(guò)熱的現象，存在熱失控起火的安全隱患，是需要重點(diǎn)攻克和解決的難題、課題。

    鋰電池雖然具有其它二次電池所不具有的優(yōu)勢，比如能量密度大，循環(huán)使用壽命長(cháng)等優(yōu)勢，但其弱點(diǎn)也非常明顯，特別是對充放電電流和電壓非常敏感，耐過(guò)充和過(guò)放能力非常差，既不允許過(guò)充，也不允許過(guò)放，否則會(huì )對鋰電池的容量、性能、使用壽命造成不可恢復的損傷，因此單鋰電池（包括多塊鋰電池并聯(lián)）模塊通常都配備獨立的鋰電池保護板，防止鋰電池在使用期間發(fā)生過(guò)充電或過(guò)放電故障，但這種保護方式不適合串聯(lián)鋰電池組。

    大量的研究和試驗表明，要解決鋰電池組的安全運行問(wèn)題，必須解決鋰電池的一致性及其引發(fā)的“熱失控”管理問(wèn)題，而解決一致性問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)則是電池均衡技術(shù)，因此，研發(fā)高效的電池均衡技術(shù)是當前及今后一段時(shí)間內需要重點(diǎn)攻關(guān)的課題，是保障電池組安全運行的核心技術(shù)。

 

三、電池均衡技術(shù)難點(diǎn)

    國內外在高功率、大容量電池梯次利用方面，主要應用在儲能電站，用于調峰，其次是用于通訊基站，逐漸取代傳統的鉛酸蓄電池。為了獲得需要的電壓和功率，儲能電池組的鋰電池全部采用多并多串的方式，容量更大，串數更多，安全管理難度更大，因此對電池均衡的要求也更高，特別是在均衡電流和均衡效率方面，需要解決快速均衡的問(wèn)題。

    鋰電池組的使用過(guò)程包括充電期、充電結束后的恢復期、靜止期、放電期、放電結束后的恢復期、靜止期、再充電，反復循環(huán)，如圖1所示，其中影響電池使用壽命的最重要的兩個(gè)環(huán)節是充電和放電，也是最容易引發(fā)電池“熱失控”事故的階段。

    充電期最容易發(fā)生的問(wèn)題是過(guò)充電，通常并不是每一個(gè)單元電池都被過(guò)充電，而是組內容量最小的電池極易被過(guò)充電，并且是長(cháng)時(shí)間被過(guò)充電，大部分電池的電壓通常都處于正常電壓區間，特別是到了充電末期，電壓差異非常明顯；放電期最容易發(fā)生的問(wèn)題是過(guò)放電。

    同樣，通常也不是每一個(gè)單元電池都被過(guò)放電，而是組內容量最小的電池極易被過(guò)放電，大部分電池的電壓通常都處于正常電壓區間，特別是到了放電末期，電壓差異非常明顯；而在其它期間不再發(fā)生充放電行為，小容量電池與其它電池的電壓差異通常并不十分明顯，通過(guò)電壓識別容易造成誤判。這里我們發(fā)現，容量最小的電池既容易被過(guò)充電，又容易被過(guò)放電，兩種狀態(tài)都加速其衰減，需要重點(diǎn)解決小容量電池被過(guò)充電和被過(guò)放電的問(wèn)題。

    鋰電池的容量衰減有一個(gè)漸進(jìn)和積累的過(guò)程，如果從電池組啟用后就通過(guò)電池均衡功能介入和干預。那么，鋰電池因外界因素造成衰減差異速度就會(huì )降低，通過(guò)外部均衡硬件的主動(dòng)控制和干預將所有電池的衰減速度差異控制在相同區間，即等速度或等速率衰減，就可以最大限度地提高整個(gè)電池組的循環(huán)使用壽命，這就需要通過(guò)電池均衡技術(shù)來(lái)實(shí)現。

    通過(guò)電池使用期間示意圖不難發(fā)現，充電期和放電期只是其中的兩個(gè)環(huán)節。因此，僅僅依靠充電期和放電期來(lái)實(shí)現電池組的均衡并不是最理想的方案，即使能夠實(shí)現，對電池均衡器的性能要求必然非常高，隨之帶來(lái)的是高成本，難以普及。

    通過(guò)電池組的實(shí)際使用情況來(lái)看，按照時(shí)間比例，充電期和放電期的累計時(shí)間遠遠小于恢復期和靜止期的時(shí)間和。因此，多利用電池組的恢復期和靜止期進(jìn)行電池均衡，可以快速縮短衰減電池和正常電池之間的差異，所以，從實(shí)用的角度出發(fā)，實(shí)用的電池均衡技術(shù)最好要支持靜態(tài)均衡，只有支持靜態(tài)均衡，才能降低充電期和放電期的均衡壓力，才能更好地提高電池組的充電均衡和放電均衡效率。

    需要注意的是，靜態(tài)均衡的啟動(dòng)條件是電壓差大于均衡設備的設定基準電壓差，直至平衡，為了防止均衡器一直無(wú)休止地進(jìn)行靜態(tài)均衡，需要均衡器支持均衡結束進(jìn)入休眠或者微功耗檢測狀態(tài)功能，減少不必要的電能損耗。

    目前，電池PACK包模塊化的趨勢越來(lái)越明顯，通過(guò)電池PACK包可以構成更大容量和功率的大電池PACK組，盡管PACK包內安裝了鋰電池保護板，但電池包的循環(huán)使用壽命短的問(wèn)題卻幾乎沒(méi)有改觀(guān)，安全事故依然頻出，根源都是因為一致性問(wèn)題沒(méi)能得到解決造成的，可見(jiàn)對電池包內電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)高速均衡的需求是非常迫切的。

    在電池組發(fā)生一致性問(wèn)題的情況下，電壓差異特征的表現最為明顯，也是電池組一致性檢測的常用和關(guān)鍵量化指標，從電壓檢測、均衡控制和設備成本控制的角度出發(fā)，通過(guò)控制電壓的方式進(jìn)行均衡是最經(jīng)濟、最有效和最容易實(shí)現的方案，為廣大研發(fā)人員采用。

    基于此，電池均衡技術(shù)主要有三種類(lèi)型，分別是電阻耗能式均衡、充電均衡和轉移式電池均衡，其中電阻耗能式均衡是典型的的被動(dòng)均衡，類(lèi)外兩種為主動(dòng)均衡。開(kāi)發(fā)成本和均衡效率方面由低至高的順序為：電阻耗能式均衡＜充電均衡＜轉移式電池均衡。

    充電均衡其實(shí)是一種過(guò)渡的電池均衡技術(shù)，主要解決了電阻耗能式均衡的均衡電流小、發(fā)熱嚴重的問(wèn)題，而轉移式電池均衡才是真正意義上的實(shí)用的電池均衡技術(shù)，是電池均衡技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向，三種電池均衡技術(shù)的主要性能差異詳見(jiàn)表1。

    通過(guò)對照可以發(fā)現，雖然轉移式電池均衡技術(shù)具有性能優(yōu)勢，但其弱點(diǎn)也很多，例如成本高、技術(shù)復雜、實(shí)現難度大，都是目前研發(fā)需要面對的難題，需要通過(guò)廣大科技工作者的不懈努力進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)來(lái)解決。

 

四、實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)的研發(fā)難點(diǎn)

    基于實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)的研發(fā)難度之大，市場(chǎng)上這種電池均衡器的研發(fā)進(jìn)展非常緩慢，掌握這項技術(shù)的研發(fā)機構和企業(yè)非常少，特別是高效的轉移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)，從市場(chǎng)上的相應產(chǎn)品的銷(xiāo)售、普及情況就可以證明，只存在少數幾種電池均衡器在銷(xiāo)售中，但因成本原因，銷(xiāo)售并不理想。

    在很多人眼里，轉移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)幾乎是一項不可能實(shí)現的技術(shù)，事實(shí)上，它的研發(fā)難度超乎很多人的想象，需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)非常多，往往是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)攻克了又出現了新的技術(shù)難點(diǎn)，而且有些技術(shù)難點(diǎn)之間又相互牽制和干擾，想要找到一種滿(mǎn)足多個(gè)指標要求的技術(shù)方案都需要進(jìn)行大量的計算和試驗，確定設計方案是非常困難的。

    甚至是，一個(gè)太正常不過(guò)的參數調整都會(huì )導致系統紊亂、工作異常，社會(huì )上很多當初信心滿(mǎn)滿(mǎn)的研發(fā)機構、團體和企業(yè)大多都是因為研發(fā)難度過(guò)大、研發(fā)周期長(cháng)、設備成本過(guò)高，在投入大量研發(fā)資金無(wú)果后選擇了放棄研發(fā)。

    真正實(shí)用的電池均衡應具有成本適中、電能轉換效率高、均衡速度快、電壓控制精度高、實(shí)時(shí)均衡的特點(diǎn)，這些特有的指標要求，實(shí)際上在成本控制與性能要求之間形成了矛盾，必須通過(guò)經(jīng)濟、合理的軟硬件設計來(lái)解決。

 

五、實(shí)例與分析

    為了實(shí)現上述均衡目標，作者歷時(shí)多年開(kāi)發(fā)出高效實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)，成功解決了成本與性能之間的矛盾問(wèn)題，已在各種一致性嚴重失衡鋰電池組上開(kāi)展并完成均衡應用實(shí)驗，達到設計指標。通過(guò)在多達13串18650型號梯次利用鋰電池組上的連續充放電均衡實(shí)驗，各項性能指標都達到預期要求。

    實(shí)驗期間，最小容量電池未發(fā)生過(guò)充和過(guò)放問(wèn)題、所有電池容量都得到最大化利用，在整組表現上，無(wú)論是充電容量還是放電容量都遠遠超過(guò)組內最差電池的容量，全過(guò)程中，所有電池的電壓都處于安全值以?xún)�，特別是在充放電的末期，電壓差始終非常小，所有電池的溫升都在合理區間，最差電池的溫升反而是最低的，這種溫升的表現對于控制“熱失控”是非常有利的。

    本文以13串18650型號梯次利用鋰電池組的標準放電和均衡放電為例進(jìn)行對比和闡述，13塊鋰電池的實(shí)際容量相差懸殊、內阻各異，放電標準為1A恒流放電，當總電壓放電至39.0V或任意電池的放電電壓降至3.0V時(shí)停止放電。為確保對比放電公平，每次放電前，每一塊電池都通過(guò)均衡充電模式充電至相同的電壓。

    在常規放電模式下，有效安全放電時(shí)間35分鐘，10#電池就到達放電終止電壓3.0V，如圖2所示，其它電池的電壓普遍較高，電壓的一致性表現得非常差，最大電壓差達到0.581V，非常嚴重，放電總電壓仍高達44.876V，遠高于規定的39.0V，平均電壓高達3.452V，遠遠高于平均放電截止電壓，從剩余平均電壓來(lái)看，還有較多電能沒(méi)有得到利用，閑置了很多容量，容量利用率較低，浪費嚴重；

    而當全程使用高效電池均衡器的情況下，在相同的放電標準情況下，有效安全放電時(shí)間延長(cháng)至58分鐘，是標準放電容量和時(shí)間的1.66倍，此時(shí)，10#電池的電壓仍高達3.0V以上，如圖3所示，其它電池的放電電壓也都接近于3.0V，電壓的一致性表現的非常好，最大電壓差只有70mv，基本正常，放電總電壓39.377V，接近39.0V，平均電壓只有3.029V，非常接近平均放電截止電壓3.0V，有效電量基本都釋放完畢。10#電池的電壓之所以不是最低，與實(shí)驗用梯次電池具有不同放電曲線(xiàn)有關(guān)，最重要的是高效電池均衡器的介入，對其它電池電量進(jìn)行了充分的調整和再分配，電池的電能得到充分利用。

    為便于對比，制作了兩種放電模式下結束時(shí)刻電壓對照表，見(jiàn)表2，及兩種放電模式下結束時(shí)刻電壓一致性對照圖，如圖4所示。本文所使用的高效電池均衡器支持BMS聯(lián)控，可按需啟動(dòng)和關(guān)閉均衡功能，既可以獨立控制某個(gè)單元，也可以控制整個(gè)均衡器組。

    兩種放電模式模式下的實(shí)驗結果對比，充分說(shuō)明了均衡放電的作用和效果是非常明顯的。均衡放電不僅僅實(shí)現了不同容量電池電壓的同步下降，防止小容量電池發(fā)生過(guò)放電、預防熱失控故障發(fā)生，提高電池組的循環(huán)使用壽命，更重要的是實(shí)現了差異電池容量的安全、充分利用，提高電池組的平均容量利用率，穩定續航時(shí)間。

    本文所述轉移式實(shí)時(shí)電池均衡器高效支持靜態(tài)均衡和充電均衡，限于篇幅，相應的對比實(shí)驗抓圖及相關(guān)數據分析略。

 

六、 結束語(yǔ)

    鋰電池梯次利用所遇到的問(wèn)題，不僅限于配組時(shí)一致性較難控制的退役電池組的梯次利用，也包括配組時(shí)一致性較好的標準電池組。鋰電池梯次利用，最需要注意和解決的是電池組的運行安全問(wèn)題，沒(méi)有了安全這個(gè)前提，梯次利用無(wú)從談起。

    而對安全威脅最大的是一致性問(wèn)題及其引發(fā)的“熱失控”，有效的電池均衡技術(shù)是目前唯一的選擇，而轉移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)性能最好，但它仍無(wú)法消滅電池的衰減，只是將不同差異電池的衰減速度進(jìn)行了優(yōu)化和調節，使之具有近似相同的衰減速率，同步衰減，通過(guò)高效均衡管理實(shí)現電池組的長(cháng)壽命安全運行。

 

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