關(guān)鍵詞：一致性，衰減，倍率，均衡

 

 

 

 

倍率是指蓄電池的充放電流與實(shí)際容量的比值。單位是C，它包括充電倍率和放電倍率，倍率的大小反映的是電池充放電速度的快慢，倍率數值越大，電池充放電速度越快，過(guò)大的充放電倍率嚴重影響電池的充放電容量和循環(huán)使用壽命。

 

當倍率降低時(shí)，電池的充放電速度會(huì )降低，充放電時(shí)間會(huì )延長(cháng)，但充放電容量相對穩定，有利于延長(cháng)電池的循環(huán)使用壽命。圖1為某型號動(dòng)力鋰電池在不同放電倍率下的放電曲線(xiàn)，鮮明地反映出放電倍率但電池容量、電壓的影響。

 

圖1 動(dòng)力鋰電池在不同放電倍率下的放電曲線(xiàn)

 

充放電倍率除了明顯影響充放電時(shí)間、容量和循環(huán)壽命外，還會(huì )明顯影響電池的溫升，因為鋰電池都是有內阻的，通常從幾毫歐至幾十毫歐不等，額定容量越大，通常內阻越小。

 

當電池發(fā)生容量衰減后，內阻上升，上升幅度與電池的衰減程度有關(guān)，衰減越嚴重，內阻上升幅度越大，內阻的上升，不僅影響電池的功率發(fā)揮，更會(huì )嚴重影響電池在充放電時(shí)的溫升，溫升如果得不到有效控制，就容易引發(fā)熱失控，最終導致電池的自燃、爆炸、著(zhù)火等事故。

 

 

 

 

電池的發(fā)熱功率可以用公式P=I2·r來(lái)表示，其中P表示發(fā)熱功率，I是充放電電流，r是電池的內阻，通過(guò)公式可知。發(fā)熱功率既與電流的平方成正比，也與內阻的大小成正比。通過(guò)對大量18650型號的衰減鋰電池內阻檢測發(fā)現，衰減鋰電池的內阻通常都在八、九十毫歐以上，甚至高達幾百毫歐。

 

下面以電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力鋰電池組為例進(jìn)行分析和闡述。假設電池組的設計容量是50KWh，額定電壓為500V，則單元電池的平均容量為100Ah，當對電池組采取快充方式充電時(shí)，充電功率通常在200KW以上，對于本電池組，平均充電電流將高達400A，假設某單元電池的內阻是5毫歐，則該單元的持續發(fā)熱功率高達P=I2·r=400*400*0.005=800W，對于容量100Ah的電池來(lái)說(shuō)，發(fā)熱功率有些太大。

 

而且這只是其中的一個(gè)單元電池的發(fā)熱功率，如果熱管理系統和散熱功能不佳，在較短的時(shí)間內該單元的溫度就會(huì )快速上升，形成高溫，熱失控風(fēng)險加大，如果將充電機功率下調至50KW，則平均充電電流降至100A，相當于1C的充電電流，對應的發(fā)熱功率P=I2·r=100*100*0.005=50W，發(fā)熱量大幅度，熱失控風(fēng)險隨時(shí)大幅度下降，簡(jiǎn)單的計算可以發(fā)現，快充對于電池組的充電安全會(huì )造成非常大的熱失控風(fēng)險。

 

 

 

 

電池組一致性問(wèn)題是外因借助內因的影響逐漸擴大和加重的，有一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，可實(shí)時(shí)監控和測量的參數主要是實(shí)時(shí)電壓、實(shí)時(shí)內阻和實(shí)時(shí)溫度的變化，包括絕對值變化和相對值變化，絕對值變化反映的是電池的剩余SOC等情況，相對值變化反映的是電池間的差異，即一致性差異及劣化情況。

 

電池最懼怕的操作是充電時(shí)的被過(guò)充電和放電時(shí)的被過(guò)放電，這兩個(gè)極端是電池組使用壽命快速縮短的根源，電池組的安全運行管理必須從根本上解決這兩個(gè)極端，使之避免發(fā)生。

 

充電期間，電池組中的小容量電池電壓上升速度快，大容量電池電壓上升速度慢，電壓上升速度的差異，會(huì )使小容量電池容易發(fā)生過(guò)充電，大容量電池則長(cháng)期無(wú)法充滿(mǎn)電，解決這兩個(gè)問(wèn)題的技術(shù)思思路是通過(guò)外圍電路的介入和干預，讓小容量電池的充電電流減少一點(diǎn)，使其電壓上升速度慢一點(diǎn)，同時(shí)適當增加大容量電池的充電電流，使其電壓上升速度快一點(diǎn)。

 

事實(shí)證明，只要減少的電流和增大的電流處于合理比例狀態(tài)，那么，大小容量電池的電壓上升速度就會(huì )基本相同，或者稱(chēng)之為同步，不僅可以解決小容量電池的過(guò)充電問(wèn)題，也可以讓大容量電池也能夠充滿(mǎn)電。

 

同樣，放電期間，大容量電池的電壓下降速度慢，小容量電池的電壓下降速度快，電壓下降速度的差異，會(huì )使小容量電池容易發(fā)生過(guò)放電，而大容量電池的容量無(wú)法釋放完，造成容量的浪費，無(wú)法得到有效利用，解決上述問(wèn)題的技術(shù)路是通過(guò)外圍電路的介入和干預，增加大容量電池的放電電流，使其電壓下降速度稍快一點(diǎn)，適當降低小容量電池的放電電流，使其電壓下降速度慢一點(diǎn)。

 

大容量電池放電電流的增量，要轉換為小容量電池放電電流的縮量，提高電能的利用率，只要增加的電流和減少的電流處于合理比例狀態(tài)，大小容量電池的電壓下降速度就會(huì )基本同步，不僅可以解決小容量電池的被過(guò)放電問(wèn)題，也可以保證大容量電池的容量充分利用。

 

上述思想中的一增一降其實(shí)質(zhì)就是對電池進(jìn)行差異化電流調節，即電池均衡。容量大的電池提高其充放電電流，容量小的電池降低其充放電電流，提高與降低之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，與電池間的差異程度有關(guān)，差異大則提高與降低的電流絕對值大。差異小，則提高與降低的電流絕對值小，具體多大合適，需要電池均衡設備根據自身均衡能力進(jìn)行自動(dòng)調節，因此要求電池均衡器應具有均衡電流自動(dòng)調節功能。

 

 

 

 

電池均衡技術(shù)發(fā)展一直遠遠滯后于電池的發(fā)展速度，特別是高性能、高效率的實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)，發(fā)展更是相對緩慢，技術(shù)突破較為困難。

 

目前電池均衡技術(shù)主要有三類(lèi)。第一類(lèi)是采用開(kāi)關(guān)管加電阻式的被動(dòng)放電均衡技術(shù)，只能用于充電均衡，由于電阻發(fā)熱的原因，均衡電流通常在100毫安以?xún)�，只適用于一致性較好的電池組，如果電池組的一致性較差，均衡效果會(huì )大打折扣，如果充電電流較大，則過(guò)充電問(wèn)題依舊存在，易導致衰減電池過(guò)放電，加重一致性差異。

 

第二類(lèi)是具有一定電流轉移能力的充電均衡器，相比第一類(lèi)，均衡電流較大，效率較高，屬于主動(dòng)均衡范疇，對解決過(guò)充能力較強，但同樣存在不支持放電均衡和靜態(tài)均衡的短板，過(guò)放問(wèn)題依舊存在，還不是真正意義上的電池均衡器。

 

第三類(lèi)是全面支持充電均衡、放電均衡和靜態(tài)均衡的純主動(dòng)均衡技術(shù)，俗稱(chēng)轉移式電池均衡技術(shù)，又細分為并聯(lián)均衡技術(shù)和串聯(lián)均衡技術(shù)，是兩種完全不同的技術(shù)路線(xiàn)、技術(shù)方案，差異很大，適用場(chǎng)景也不同，目前這類(lèi)電池均衡技術(shù)的均衡性能、效率最佳，但技術(shù)復雜，成本較高，需要在保證提高性能的前提下，進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)升級和優(yōu)化，降低設備成本。

 

 

 

 

隨著(zhù)對電池儲能技術(shù)和電動(dòng)汽車(chē)的旺盛需求，出于安全管理的需要，人們對電池均衡的需求和要求越來(lái)越高，迫切需求解決電池組的一致性管理難題，及其引發(fā)的熱失控風(fēng)險，畢竟對于高功率電池組而言，安全運行才是第一位的。

 

據報道，自2018年5月以來(lái)，韓國儲能行業(yè)發(fā)生的23起嚴重火災，有20起是在充電后和充放電過(guò)程中發(fā)生的，占比高達87%；另?yè)�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，2019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，電池安全管理缺陷，特別是一致性管理難題導致電動(dòng)車(chē)輛在使用過(guò)程中發(fā)生電池包內部過(guò)熱，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。頻繁的電池安全事故，使人們對電池的使用安全問(wèn)題飽受詬病，質(zhì)疑聲不斷，問(wèn)題的主要焦點(diǎn)是電池的安全性問(wèn)題。

 

通過(guò)對大量故障電池組的檢測分析發(fā)現，因電池自身原因造成的事故只占很小的比例，如漏液、內部短路，通常與電池的生產(chǎn)質(zhì)量有關(guān)，絕大多數都是由于一致性管理技術(shù)不好造成的，一致性問(wèn)題劣化后，會(huì )造成多種故障，如前所述的高溫、爆炸、起火等，都可以由一致性問(wèn)題劣化演變而來(lái)，一致性管理短板才是導致事故發(fā)生的最主要原因。

 

因此，要解決上述問(wèn)題，必須從解決電池組一致性管理問(wèn)題著(zhù)手，這才是解決問(wèn)題的關(guān)鍵、核心所在，解決好一致性管理問(wèn)題，不僅可以預防熱失控發(fā)生，還能提高電池組平均容量的利用率，這一結論已經(jīng)被作者長(cháng)期開(kāi)展的各種實(shí)驗和應用數據所證實(shí)，并且一致性差異越大，平均容量利用率越高。

 

 

 

 

下面以?xún)纱�電池組的高速均衡放電數據為例進(jìn)行分析，充電均衡和靜態(tài)均衡實(shí)驗數據及分析略，多串電池組的均衡原理是一樣的，因涉及到級聯(lián)和數據向量疊加問(wèn)題，分析過(guò)程較為復雜，占用篇幅較大，本文略。

 

實(shí)驗電池組如下圖所示，綠色18650電池（B1電池）為梯次利用電池，1A放電檢測容量約1Ah，藍色方形電池（B2電池）的1A放電檢測容量為11Ah，容量相差10倍，其它測量設備包括2塊數字萬(wàn)用表、恒流電子負載、鉗流表、具有自主設計雙向同步整流技術(shù)的電池均衡器樣機等。

 

設定電池組總放電電流5A，當放電總電壓下降至6.0V或單體電池電壓下降至2.75V時(shí)結束放電，B1電池由于容量小，無(wú)法提供5A的放電電流。但是，在均衡器的介入下，情況發(fā)生逆轉，不足的放電電流，全部由B2電池通過(guò)電池均衡器轉換進(jìn)行彌補，來(lái)保持電壓均衡，實(shí)測均衡電流高達9.08A（存在測量誤差，下同），如圖2所示；B2電池的實(shí)際放電電流高達9.82A，如圖3所示；而B(niǎo)1電池的實(shí)際放電電流只有0.87A，如圖4所示；

 

在強大均衡電流的作用下，最大電壓差只有0.11V，B1電池因放電電流適中，溫升始終在正常范圍內，無(wú)任何異常，至放電結束，兩塊電池的電量全部放完，并且18650電池的放電電壓仍在安全電壓值以?xún)取?/span>

 

圖2 放電電流5A情況下，均衡電流高達9.08A

 

圖3 放電電流5A情況下，B2電池的放電電流高達9.82A

 

圖4 放電電流5A情況下，B1電池的放電電流只有0.87A

 

通過(guò)對放電測量數據進(jìn)行簡(jiǎn)單計算，B1電池的實(shí)際放電倍率為0.87/1=0.87C，B2電池的實(shí)際放電倍率為9.82/11=0.89C，如果忽略測量誤差，兩塊電池的放電倍率幾乎是相同的，具有特別重要的實(shí)際意義，其最大的意義是保證所有不同容量的差異電池，特別是容量衰減電池不易發(fā)生過(guò)放電，不僅保證衰減電池的放電安全，也有助于延長(cháng)電池組的實(shí)際使用壽命。

 

本文是以放電均衡實(shí)驗數據進(jìn)行分析和闡述的，等倍率實(shí)驗結論同樣適用于均衡充電，受篇幅限制實(shí)驗數據及對應實(shí)驗照片略。

 

 

7、結論

 

 

電池組發(fā)生一致性問(wèn)題后，每塊電池的充放電倍率都不相同，一致性劣化越嚴重，則充放電倍率差異越大，而充放電倍率差異的擴大，會(huì )進(jìn)一步加劇電池組的衰減，并有可能引起熱失控故障，高效轉移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)的介入和干預，通過(guò)對差異電池的電流智能調節，使其具有相同的充放電倍率，差異電池實(shí)現電壓相近并同步變化，電池容量得到高效利用，既解決了衰減電池的過(guò)充、過(guò)放和高溫的難題，避免了熱失控風(fēng)險，又延長(cháng)電池組的循環(huán)使用壽命。

 

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