中國儲能網(wǎng)訊：在一致性問題的影響下，電池組的實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)航時間，還容易引發(fā)熱失控等故障，特別是大功率動力、儲能電池組。實時、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。本文通過一組一致性嚴(yán)重劣化的13串48伏報廢鋰電池在常規(guī)放電和均衡放電實驗數(shù)據(jù)的對比和分析，充分證明了高效電池均衡器對于穩(wěn)定電池組續(xù)航時間和容量的重要性。
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，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充滿電或同時放完電，不會有電池發(fā)生過充電或過放電的問題。
但現(xiàn)實中，電池組卻大部分表現(xiàn)很差，一致性問題突出，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)航時間，問題嚴(yán)重的還會發(fā)生熱失控故障，導(dǎo)致設(shè)備或人員受損。
通過大量的實驗研究和運行數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致常規(guī)電池組發(fā)生一致性問題的主要原因包括兩個：一個原因是電池生產(chǎn)工藝的差異產(chǎn)生的，簡稱內(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)境溫度差異波動等原因引起的，這些外因環(huán)境，會將內(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，這就是電池組一旦發(fā)生一致性問題后會迅速加重的原因。
2解決一致性原因的常見方法
在解決電池組的一致性問題方面，根據(jù)電池發(fā)生一致性問題的主要原因，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，通過提高生產(chǎn)工藝水平的方式來提高電池在出廠時的一致性，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題發(fā)生的時間，但無法根除；
另一種方案是使用電池均衡器進行干預(yù)，電池均衡包括被動均衡和主動均衡兩類，被動均衡又稱耗能均衡，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遠高于被動式均衡。
可以預(yù)見的是，主動均衡即使是未來發(fā)展的主流，設(shè)計架構(gòu)和實現(xiàn)方式多種多樣，本文不進行討論，但有一點是肯定的，所有的設(shè)計目標(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實時、高速電池均衡技術(shù)及分流特點
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題。
為了解決這一矛盾問題，作者歷經(jīng)多年攻關(guān)研發(fā)出一種自創(chuàng)的獨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，幾乎不會對電池組增加溫升。
通過高速電壓均衡實現(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)通過實時檢測相鄰電池間的相對電壓差大小及方向，自動分析和判斷出電池的容量大小，自動對電壓高（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均衡器的高效轉(zhuǎn)換，輸送到低電壓電池的兩端，對低電壓（放電期間電壓低通常容量?。╇姵販p小放電電流，彌補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，自動對電壓高（充電期間電壓高意味著容量?。┑碾姵亟档统潆婋娏?，減少的充電電流通過均衡器的高效轉(zhuǎn)換，輸送到低電壓電池的兩端，對低電壓（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)還能同時支持高速靜態(tài)均衡，增加有效均衡時間，特有的脈沖技術(shù)對于穩(wěn)定衰減電池容量非常明顯，本文實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驗
實驗電池組如圖1所示，采用報廢鋰電池組經(jīng)拆解挑選組裝而成，相當(dāng)于梯次利用，均為18650型號鋰電池，最長擱置時間超過8年，拆解電池的的初始電壓只有零點幾伏至三點幾伏不等，大部分處于報廢狀態(tài)，原單節(jié)設(shè)計容量在2200mAh至2500mAh，大部分電池漏電較重，充電時發(fā)熱嚴(yán)重。
在充滿電后靜止2小時進行容量檢測的情況下，1A放電檢測實際剩余容量只有550mAh至2350mAh之間，見表1剩余容量欄，通過檢測容量可以看出，容量差異非常大，最大差值達1.8Ah，實驗電池共計13塊，所有電池剩余電量柱狀圖如圖2 所示。
實驗臺上的最右側(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，不參與充放電實驗，其它電壓表頭采用級聯(lián)方式供電。每塊電池的下面對應(yīng)一塊高精度電壓表頭，實時顯示上方電池的當(dāng)前電壓，實驗平臺（平臺進行了改造，方便更換電池）最大支持2并14串18650電池實驗，本文實例只連接了13串電池，標(biāo)稱電壓48伏。
4.1 常規(guī)放電實驗
先利用電池均衡器對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視為充滿電，再通過電子負(fù)載對電池組進行1A恒流放電，當(dāng)任意一塊電池的放電電壓降至3.00V時，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，并記錄實際總放電時間，放電期間實測數(shù)據(jù)如表1所示（根據(jù)實時錄制視頻整理，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)束時對應(yīng)的各電池電壓情況如圖3所示，常規(guī)放電結(jié)束時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
從放電測量數(shù)據(jù)可以看出，放電至33分鐘時，6#電池到達放電截止電壓，停止放電，此時，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有釋放出來，放電結(jié)束時的電壓就說明了一切，特別是1#和7#電池還剩余非常多的電量沒有釋放，無法利用，這種情況特別像安裝了具有單體電池放電保護的BMS電池管理系統(tǒng)的動力電池組。
雖然6#電池得到了放電保護，不會發(fā)生過放電，但電池組中絕大多數(shù)電池的容量沒有發(fā)揮和釋放出來，容量浪費嚴(yán)重；另外，通過每十分鐘間隔測量的最大電壓差數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)，隨著放電的進行，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)越來越差，一致性問題越來越嚴(yán)重。另外，測量數(shù)據(jù)表明，2#電池也即將放電完畢，說明該電池組中的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，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遠超過其它電池，很快就上升到3.9V左右，進一步證實了2#和6#電池衰減非常嚴(yán)重。
4.2 均衡放電實驗
各項應(yīng)用和實踐表明，均衡放電的實際意義大于均衡充電，均衡放電能反映出電池組的實際可用容量，無論是理論上還是實踐上，電池組的均衡放電容量都大于常規(guī)放電容量，特別是對于發(fā)生了一致性問題的電池組，一致性問題越嚴(yán)重，實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，增加總體放電時間，在此期間還必須保證所有電池都能安全放電，不會有電池發(fā)生過放電情況。在進行均衡放電之前，采用與前面相同的方法對電池組充滿電，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，實測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)束時各電池剩余電壓情況如圖6所示，均衡放電結(jié)束時對應(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)拓展實驗
在首次進行的均衡放電獲得非常滿意的實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，為了驗證均衡放電是否具有普遍性的特點，作者在保持均衡器樣機的前提下，對該實驗電池組連續(xù)進行了一百余次的均衡充放電循環(huán)實驗，循環(huán)實驗結(jié)果表明，高效均衡器介入后，電池組的安全放電時間、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。溫升的降低對于預(yù)防發(fā)生熱失控具有積極意義。
5放電實驗對比分析
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，下面通過對兩種放電方式中衰減電池的電壓表現(xiàn)和實際放電時間等數(shù)據(jù)對比來進行分析。
5.1 衰減電池的電壓表現(xiàn)分析
常規(guī)放電實驗中，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)。
而在均衡放電實驗中，臨近放電結(jié)束前，電壓一直處于相對最低的卻是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改變了每塊電池的實際放電電流，明顯降低了2#和6#電池的實際放電電流，在常規(guī)放電實驗中，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，降低了2#和6#電池的實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。
通過對圖5和圖7的對比，可以明顯發(fā)現(xiàn)，均衡放電結(jié)束時，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放電期間，非常有利于電池組的安全、高效的運行。
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驗的初始電壓，隨著放電的進行，最大電壓差呈逐漸擴大趨勢，至放電30分鐘時，最大電壓差已擴大至0.770V，此時，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)，遠遠低于常規(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，無法快速通過均衡器為衰減電池提供更多的電量。通過以往的實驗數(shù)據(jù)可知，對于鋰離子電池，在1C左右放電倍率下，當(dāng)電池的電壓降至3.20V以下時，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 電池組放電時間與放電容量對比分析
未采用電池均衡器的情況下，總有效放電時間只有33分鐘，放電容量只有550mAh，實際放電容量等于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法得到釋放和發(fā)揮功效，容量浪費嚴(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，在初始電壓相對偏低的情況下，有效放電時間達到了69分鐘，有效放電的容量高達1150mAh，無論是放電時間還是放電容量都實現(xiàn)了大幅度提升。這是因為，均衡器的介入，較大容量電池的多余電量，大部分都通過電池均衡器的高效轉(zhuǎn)換釋放出來，明顯提高了較大容量電池的容量利用率，從而使得實際放電時間得以大幅度延長。
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，由此帶來的好處是實際放電時間增加，這就是6#電池雖然衰減嚴(yán)重，但放電時間仍非常長的原因。
5.5 電池放電溫升分析
通過紅外測溫儀測量，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，這是因為，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有區(qū)別，對降低衰減速度非常有利，均衡放電期間，均衡器樣機的溫升無明顯變化。
6結(jié)束語
本文通過13串48伏報廢鋰電池組的常規(guī)放電和均衡放電對比實驗及數(shù)據(jù)分析，可以得出一個結(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)定和延長電池組有效放電時間作用明顯，已經(jīng)完全報廢，失去利用價值的鋰電池組，在均衡器的介入和干預(yù)下，又能很好地發(fā)揮其儲能和動力功效，延長了電池組的實際使用壽命。
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，如果將其用于大功率、大容量儲能、動力電池組，包括梯次利用電池組，大量報廢電池組經(jīng)拆解、篩選成組可重新復(fù)用，意義重大。
參考文獻：
[1]周寶林,周全：一種具有同步整流功能的轉(zhuǎn)移式實時電池均衡器
[2]周寶林,周全：轉(zhuǎn)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：雙向同步整流技術(shù)在轉(zhuǎn)移式實時電池均衡器中的研究與應(yīng)用
第一作者簡介：
周寶林（1968－）：男，黑龍江大慶，工程碩士，高級工程師，主要研究方向：電池均衡技術(shù)。
原標(biāo)題:13串48伏報廢鋰電池組常規(guī)放電與均衡放電對比實驗及分析
