中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在一致性問(wèn)題的影響下，電池組的實(shí)際放電容量取決于電池組中容量最小的電池，電池組串聯(lián)數(shù)量越多，對(duì)電池組放電容量的影響越大，電池組的利用率就越低，不僅影響充放電容量和續(xù)航時(shí)間，還容易引發(fā)熱失控等故障，特別是大功率動(dòng)力、儲(chǔ)能電池組。實(shí)時(shí)、高效率電池均衡器的介入，不僅智能調(diào)節(jié)不同容量電池充放電電流和充放電倍率，還明顯提高電池的容量利用率，控制衰減電池的溫升效果也非常明顯。本文通過(guò)一組一致性嚴(yán)重劣化的13串48伏報(bào)廢鋰電池在常規(guī)放電和均衡放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比和分析，充分證明了高效電池均衡器對(duì)于穩(wěn)定電池組續(xù)航時(shí)間和容量的重要性。
關(guān)鍵詞：一致性，均衡放電，等倍率，熱失控
1電池組一致性問(wèn)題產(chǎn)生的原因
理想狀態(tài)下電池組應(yīng)具有如下特征：充電或放電時(shí)，所有電池電壓同步上升或同步下降，電池間的容量、電壓、自放電率和內(nèi)阻非常接近，即所有電池的表現(xiàn)狀態(tài)基本相同，一致性非常好，所有電池幾乎能同時(shí)充滿電或同時(shí)放完電，不會(huì)有電池發(fā)生過(guò)充電或過(guò)放電的問(wèn)題。
但現(xiàn)實(shí)中，電池組卻大部分表現(xiàn)很差，一致性問(wèn)題突出，電池組的循環(huán)使用壽命通常只有單體電池設(shè)計(jì)壽命的1／3至1／5，非常影響設(shè)備的使用壽命和續(xù)航時(shí)間，問(wèn)題嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生熱失控故障，導(dǎo)致設(shè)備或人員受損。
通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究和運(yùn)行數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致常規(guī)電池組發(fā)生一致性問(wèn)題的主要原因包括兩個(gè)：一個(gè)原因是電池生產(chǎn)工藝的差異產(chǎn)生的，簡(jiǎn)稱內(nèi)因，一旦電池封裝化成完成后，電池間的容量、自放電率和內(nèi)阻參數(shù)等差異就存在了，只是差異程度不同而已。
第二個(gè)原因可以稱之為外因，主要是充放電電壓參數(shù)、電流參數(shù)、環(huán)境溫度差異波動(dòng)等原因引起的，這些外因環(huán)境，會(huì)將內(nèi)因形成的差異逐漸積累和放大，并且這種差異的放大呈現(xiàn)指數(shù)放大特點(diǎn)，這就是電池組一旦發(fā)生一致性問(wèn)題后會(huì)迅速加重的原因。
2解決一致性原因的常見方法
在解決電池組的一致性問(wèn)題方面，根據(jù)電池發(fā)生一致性問(wèn)題的主要原因，主要有兩種技術(shù)解決方案，一種方案是在電池生產(chǎn)工藝上做文章，通過(guò)提高生產(chǎn)工藝水平的方式來(lái)提高電池在出廠時(shí)的一致性，這種方案具有一定的效果，能最大程度減緩和延遲一致性問(wèn)題發(fā)生的時(shí)間，但無(wú)法根除；
另一種方案是使用電池均衡器進(jìn)行干預(yù)，電池均衡包括被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩類，被動(dòng)均衡又稱耗能均衡，均衡電流小，均衡效率為零，僅適用于一致性較好，散熱均勻，并且電池組容量較小的情況；主動(dòng)均衡的典型代表是轉(zhuǎn)移式電池均衡，均衡效率和均衡電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被動(dòng)式均衡。
可以預(yù)見的是，主動(dòng)均衡即使是未來(lái)發(fā)展的主流，設(shè)計(jì)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，本文不進(jìn)行討論，但有一點(diǎn)是肯定的，所有的設(shè)計(jì)目標(biāo)都是朝著支持均衡電流較大、均衡效率高、均衡速度快的方向發(fā)展。
3實(shí)時(shí)、高速電池均衡技術(shù)及分流特點(diǎn)
電池均衡技術(shù)中，較難解決的是均衡電流和均衡效率的匹配和兼顧問(wèn)題，既要能提供較大的均衡電流，又要具備較高的均衡效率，之所以提出這一要求，主要是存在大電流均衡情況下的均衡設(shè)備發(fā)熱，并且影響電池組溫升的問(wèn)題。
為了解決這一矛盾問(wèn)題，作者歷經(jīng)多年攻關(guān)研發(fā)出一種自創(chuàng)的獨(dú)特雙向同步整流技術(shù)[1]，不僅支持大電流均衡，而且均衡效率很高，在滿負(fù)荷工作的情況下，設(shè)備的溫升也較低，幾乎不會(huì)對(duì)電池組增加溫升。
通過(guò)高速電壓均衡實(shí)現(xiàn)電量的合理分配和優(yōu)化[2]，在放電均衡方面，這種技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)相鄰電池間的相對(duì)電壓差大小及方向，自動(dòng)分析和判斷出電池的容量大小，自動(dòng)對(duì)電壓高（放電期間電壓高通常容量大）的電池提高放電電流，增加的放電電流通過(guò)均衡器的高效轉(zhuǎn)換，輸送到低電壓電池的兩端，對(duì)低電壓（放電期間電壓低通常容量小）電池減小放電電流，彌補(bǔ)小容量電池放電能力的不足，使不同容量的電池近似等倍率放電。
在充電均衡方面，自動(dòng)對(duì)電壓高（充電期間電壓高意味著容量小）的電池降低充電電流，減少的充電電流通過(guò)均衡器的高效轉(zhuǎn)換，輸送到低電壓電池的兩端，對(duì)低電壓（充電期間電壓低意味著容量大）電池增大充電電流，使不同容量的電池近似等倍率充電；這種技術(shù)還能同時(shí)支持高速靜態(tài)均衡，增加有效均衡時(shí)間，特有的脈沖技術(shù)對(duì)于穩(wěn)定衰減電池容量非常明顯，本文實(shí)例所使用的電池均衡器即采用了最新研制的雙向同步整流技術(shù)[3]。
4十三串鋰電池組放電實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)電池組如圖1所示，采用報(bào)廢鋰電池組經(jīng)拆解挑選組裝而成，相當(dāng)于梯次利用，均為18650型號(hào)鋰電池，最長(zhǎng)擱置時(shí)間超過(guò)8年，拆解電池的的初始電壓只有零點(diǎn)幾伏至三點(diǎn)幾伏不等，大部分處于報(bào)廢狀態(tài)，原單節(jié)設(shè)計(jì)容量在2200mAh至2500mAh，大部分電池漏電較重，充電時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重。
在充滿電后靜止2小時(shí)進(jìn)行容量檢測(cè)的情況下，1A放電檢測(cè)實(shí)際剩余容量只有550mAh至2350mAh之間，見表1剩余容量欄，通過(guò)檢測(cè)容量可以看出，容量差異非常大，最大差值達(dá)1.8Ah，實(shí)驗(yàn)電池共計(jì)13塊，所有電池剩余電量柱狀圖如圖2 所示。
實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的最右側(cè)帶有“表頭供電”字樣的電池只負(fù)責(zé)7#、13#電池下方的高精度電壓表頭供電，不參與充放電實(shí)驗(yàn)，其它電壓表頭采用級(jí)聯(lián)方式供電。每塊電池的下面對(duì)應(yīng)一塊高精度電壓表頭，實(shí)時(shí)顯示上方電池的當(dāng)前電壓，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（平臺(tái)進(jìn)行了改造，方便更換電池）最大支持2并14串18650電池實(shí)驗(yàn)，本文實(shí)例只連接了13串電池，標(biāo)稱電壓48伏。
4.1 常規(guī)放電實(shí)驗(yàn)
先利用電池均衡器對(duì)13串電池組充電（附表中的電壓仍存在一定的電壓差，主要是由于多數(shù)電池漏電，漏電流較大所致，下同），當(dāng)充電器的充電電流不再下降時(shí)視為充滿電，再通過(guò)電子負(fù)載對(duì)電池組進(jìn)行1A恒流放電，當(dāng)任意一塊電池的放電電壓降至3.00V時(shí)，停止放電。
期間，每間隔10分鐘記錄每一塊電池的當(dāng)前電壓，直至某塊電池放電結(jié)束停止放電，并記錄實(shí)際總放電時(shí)間，放電期間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示（根據(jù)實(shí)時(shí)錄制視頻整理，底紋顏色代表組內(nèi)最高和最低電壓，下同），6#電池容量最小，放電結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的各電池電壓情況如圖3所示，常規(guī)放電結(jié)束時(shí)的各電池剩余電量柱狀圖如圖4所示，常規(guī)放電結(jié)束時(shí)各電池剩余電壓曲線如圖5所示。
表1 13串鋰電池組常規(guī)放電數(shù)據(jù)表
從放電測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，放電至33分鐘時(shí)，6#電池到達(dá)放電截止電壓，停止放電，此時(shí)，2#電池的電量也即將放完，但其他11塊電池仍具有較多的電量沒(méi)有釋放出來(lái)，放電結(jié)束時(shí)的電壓就說(shuō)明了一切，特別是1#和7#電池還剩余非常多的電量沒(méi)有釋放，無(wú)法利用，這種情況特別像安裝了具有單體電池放電保護(hù)的BMS電池管理系統(tǒng)的動(dòng)力電池組。
雖然6#電池得到了放電保護(hù)，不會(huì)發(fā)生過(guò)放電，但電池組中絕大多數(shù)電池的容量沒(méi)有發(fā)揮和釋放出來(lái)，容量浪費(fèi)嚴(yán)重；另外，通過(guò)每十分鐘間隔測(cè)量的最大電壓差數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)，隨著放電的進(jìn)行，最大電壓差呈逐漸增大狀態(tài)。
這就意味著，電池的一致性表現(xiàn)越來(lái)越差，一致性問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。另外，測(cè)量數(shù)據(jù)表明，2#電池也即將放電完畢，說(shuō)明該電池組中的2#電池衰減也非常嚴(yán)重，放電期間還有一個(gè)現(xiàn)象，放電初期，6#電池的電壓并不是最低，而是到了中后期后電壓才處于最低，一直持續(xù)到放電結(jié)束。
當(dāng)停止放電時(shí)，所有電池的電壓已開始正常反彈，但2#和6#電池的電壓反彈速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它電池，很快就上升到3.9V左右，進(jìn)一步證實(shí)了2#和6#電池衰減非常嚴(yán)重。
4.2 均衡放電實(shí)驗(yàn)
各項(xiàng)應(yīng)用和實(shí)踐表明，均衡放電的實(shí)際意義大于均衡充電，均衡放電能反映出電池組的實(shí)際可用容量，無(wú)論是理論上還是實(shí)踐上，電池組的均衡放電容量都大于常規(guī)放電容量，特別是對(duì)于發(fā)生了一致性問(wèn)題的電池組，一致性問(wèn)題越嚴(yán)重，實(shí)際放電容量差異越大。
均衡放電的目的是要讓所有高于平均容量的電池容量大部分都能發(fā)揮和釋放出來(lái)，增加總體放電時(shí)間，在此期間還必須保證所有電池都能安全放電，不會(huì)有電池發(fā)生過(guò)放電情況。在進(jìn)行均衡放電之前，采用與前面相同的方法對(duì)電池組充滿電，放電方式、環(huán)境溫度、數(shù)據(jù)記錄方式不變。
同樣是當(dāng)任意一塊電池的電壓放電至3.00V時(shí)停止放電，唯一的區(qū)別是均衡放電期間全程保持本文電池均衡器連接，實(shí)測(cè)每塊電池均衡放電相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示，均衡放電結(jié)束時(shí)各電池剩余電壓情況如圖6所示，均衡放電結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的各電池剩余電壓曲線如圖7所示。
4.3 均衡放電循環(huán)拓展實(shí)驗(yàn)
在首次進(jìn)行的均衡放電獲得非常滿意的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證均衡放電是否具有普遍性的特點(diǎn)，作者在保持均衡器樣機(jī)的前提下，對(duì)該實(shí)驗(yàn)電池組連續(xù)進(jìn)行了一百余次的均衡充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高效均衡器介入后，電池組的安全放電時(shí)間、放電容量都非常接近，明顯優(yōu)于普通的充放電，衰減嚴(yán)重的2#和6#電池的溫升與其它電池基本相同，甚至略低。溫升的降低對(duì)于預(yù)防發(fā)生熱失控具有積極意義。
5放電實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析
兩種放電方式，初始條件基本相同，但放電結(jié)果卻相差懸殊，唯一的區(qū)別是均衡放電中保持了均衡器的連接，下面通過(guò)對(duì)兩種放電方式中衰減電池的電壓表現(xiàn)和實(shí)際放電時(shí)間等數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)進(jìn)行分析。
5.1 衰減電池的電壓表現(xiàn)分析
常規(guī)放電實(shí)驗(yàn)中，放電初期，雖然6#電池的電壓處于較高的位置，但放電10分鐘后，電壓開始處于最低狀態(tài)，直至放電結(jié)束，2#電池電壓下降速度緊隨其后，也表現(xiàn)出嚴(yán)重衰減狀態(tài)。衰減情況最輕的1#和7#電池的電壓則始終處于最高狀態(tài)。
而在均衡放電實(shí)驗(yàn)中，臨近放電結(jié)束前，電壓一直處于相對(duì)最低的卻是11#電池，而不是6#電池，同樣也不是2#電池，主要原因就是均衡器的介入自動(dòng)改變了每塊電池的實(shí)際放電電流，明顯降低了2#和6#電池的實(shí)際放電電流，在常規(guī)放電實(shí)驗(yàn)中，1#和7#電池的電壓一直處于最高狀態(tài)，直至放電結(jié)束，顯示出這兩塊電池的容量最大。
由于它們緊鄰2#和6#電池，在均衡放電期間，自動(dòng)為嚴(yán)重衰減的2#和6#電池提供了大量電量，在自身增大放電電流的同時(shí)，降低了2#和6#電池的實(shí)際輸出電流和電壓下降速度，整組電池的電壓表現(xiàn)為近似同步下降。
通過(guò)對(duì)圖5和圖7的對(duì)比，可以明顯發(fā)現(xiàn)，均衡放電結(jié)束時(shí)，電池的電壓一致性明顯優(yōu)于常規(guī)放電，這種一致性的提升和改善貫穿于電池組的整個(gè)放電期間，非常有利于電池組的安全、高效的運(yùn)行。
5.2 最大電壓差變化分析
常規(guī)放電中，放電前，電池間最大電壓差只有0.026V，一致性較好，且整體電壓略高于均衡放電實(shí)驗(yàn)的初始電壓，隨著放電的進(jìn)行，最大電壓差呈逐漸擴(kuò)大趨勢(shì)，至放電30分鐘時(shí)，最大電壓差已擴(kuò)大至0.770V，此時(shí)，電池組剩余容量只有10%左右，一致性表現(xiàn)非常差。
在均衡放電中，放電前最大初始電壓差為0.034V，且整體電壓略低于常規(guī)放電初始電壓，在這種不利的情況下，均衡器的介入，徹底改變了接下來(lái)的放電狀態(tài)，在放電結(jié)束前，最大電壓差始終處于較小狀態(tài)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)放電的最大電壓差，并且整體處于逐漸縮小的狀態(tài)，與常規(guī)放電完全相反，僅僅在放電末期才開始緩慢升高，但升高幅度很小。
主要原因是，在放電末期，電池的可放電容量急劇下降，即便是未衰減電池，剩余的可用電量也非常少，無(wú)法快速通過(guò)均衡器為衰減電池提供更多的電量。通過(guò)以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對(duì)于鋰離子電池，在1C左右放電倍率下，當(dāng)電池的電壓降至3.20V以下時(shí)，剩余容量通常低于5%。
如果將可釋放電量保留5%，則最大電壓差低于0.1V，均衡器仍可正常執(zhí)行高速均衡功能，而如果將保護(hù)電量設(shè)定在10%，則最大電壓差約0.08V左右，容量最低的6#電池仍有剩余電量，一致性非常理想。
5.3 電池組放電時(shí)間與放電容量對(duì)比分析
未采用電池均衡器的情況下，總有效放電時(shí)間只有33分鐘，放電容量只有550mAh，實(shí)際放電容量等于6#電池的容量，除2#電池容量次小外，其它11塊尚有大量有效電量無(wú)法得到釋放和發(fā)揮功效，容量浪費(fèi)嚴(yán)重、利用率很低，相比均衡放電，容量利用率只有47.8%。
使用電池均衡器以后，在初始電壓相對(duì)偏低的情況下，有效放電時(shí)間達(dá)到了69分鐘，有效放電的容量高達(dá)1150mAh，無(wú)論是放電時(shí)間還是放電容量都實(shí)現(xiàn)了大幅度提升。這是因?yàn)?，均衡器的介入，較大容量電池的多余電量，大部分都通過(guò)電池均衡器的高效轉(zhuǎn)換釋放出來(lái)，明顯提高了較大容量電池的容量利用率，從而使得實(shí)際放電時(shí)間得以大幅度延長(zhǎng)。
5.4 6#電池放電倍率分析
標(biāo)準(zhǔn)放電模式下，6#電池的放電倍率約為1／0.55=1.82C；而采用電池均衡器后，所有電池進(jìn)入均衡放電狀態(tài)，6#電池的平均放電倍率只有33／(69*0.55)=0.87C，即采用電池均衡器后，6#電池的實(shí)際放電倍率不到常規(guī)放電倍率的一半，放電倍率降低了，放電電流自然降低，由此帶來(lái)的好處是實(shí)際放電時(shí)間增加，這就是6#電池雖然衰減嚴(yán)重，但放電時(shí)間仍非常長(zhǎng)的原因。
5.5 電池放電溫升分析
通過(guò)紅外測(cè)溫儀測(cè)量，標(biāo)準(zhǔn)放電模式下，放電30分鐘后，衰減嚴(yán)重的6#電池和2#電池溫升較為明顯，超出了其它電池的溫升，這是因?yàn)?，衰減電池的內(nèi)阻明顯增大，內(nèi)阻引起的發(fā)熱量顯著提高，溫升最快，理論和實(shí)踐證明，溫升提高，加劇衰減速度。而在使用電池均衡器后，在整個(gè)放電期間，衰減嚴(yán)重的2#和6#電池的溫升與其它電池幾乎沒(méi)有區(qū)別，對(duì)降低衰減速度非常有利，均衡放電期間，均衡器樣機(jī)的溫升無(wú)明顯變化。
6結(jié)束語(yǔ)
本文通過(guò)13串48伏報(bào)廢鋰電池組的常規(guī)放電和均衡放電對(duì)比實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，可以得出一個(gè)結(jié)論，高效電池均衡器能充分利用和調(diào)節(jié)電池電量，穩(wěn)定和延長(zhǎng)電池組有效放電時(shí)間作用明顯，已經(jīng)完全報(bào)廢，失去利用價(jià)值的鋰電池組，在均衡器的介入和干預(yù)下，又能很好地發(fā)揮其儲(chǔ)能和動(dòng)力功效，延長(zhǎng)了電池組的實(shí)際使用壽命。
高效電池均衡器的高速分流功能明顯降低衰減電池的放電電流，由于內(nèi)阻增大原因?qū)е碌臏厣黠@降低，從而又降低了熱失控風(fēng)險(xiǎn)，如果將其用于大功率、大容量?jī)?chǔ)能、動(dòng)力電池組，包括梯次利用電池組，大量報(bào)廢電池組經(jīng)拆解、篩選成組可重新復(fù)用，意義重大。
參考文獻(xiàn)：
[1]周寶林,周全：一種具有同步整流功能的轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器
[2]周寶林,周全：轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對(duì)電池電壓與荷電量影響的研究
[3]周寶林,周全：雙向同步整流技術(shù)在轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器中的研究與應(yīng)用
第一作者簡(jiǎn)介：
周寶林（1968－）：男，黑龍江大慶，工程碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：電池均衡技術(shù)。
原標(biāo)題:13串48伏報(bào)廢鋰電池組常規(guī)放電與均衡放電對(duì)比實(shí)驗(yàn)及分析
