單體電池設計壽命和使用壽命較長,但裝配成電池組后由于衰減速度的差異引發(fā)的一致性和使用壽命短的問題,備受廣大科技人員和用戶的關注。電池組的一致性問題不僅嚴重縮短續(xù)航時間,輸出功率快速下降,嚴重的還會引發(fā)熱失控故障甚至事故。引發(fā)電池衰減差異的原因非常復雜,既有電池自身(俗稱內因)原因引起的衰減差異,也有使用期間的外界因素(俗稱外因),特別是充放電電壓、充放電電流、溫度差異等,外因與內因相互促進,最終導致電池組的快速衰減。其中,外因是電池組快速衰減的主要因素。
電池衰減成因
對于蓄電池,無論使用與否,它都會隨著時間的流逝而產(chǎn)生衰減,包括容量的衰減、內阻的增大、自放電率的變化等等。內因對于電池的衰減是緩慢的,接近于日歷衰減,與外因引起的衰減速度相比幾乎可以忽略不計,外因才是造成電池衰減的主要成因。最主要的影響因素是對電池施加作用的充放電電壓、充放電電流以及環(huán)境溫度,這些因素都會直接影響電池的充電限制電壓和放電截止電壓,當施加于電池的端電壓大于充電限制電壓或放電時的端電壓低于放電截止電壓時,電池會受到不可恢復的損傷,并且這個電壓差值越大,電池受到的傷害越重,直至失效或報廢。同樣,施加于電池的充放電電流也是影響電池電壓的重要因素,特別是對于衰減電池的影響非常大,由于容量的降低,在較大的充放電電流下,衰減電池的電壓上升速度和下降速度高于正常容量電池,容易導致衰減電池過充電及過放電,過充電和過放電是電池衰減和損壞的殺手。另外,衰減電池的內阻明顯高于正常電池,衰減越嚴重,相對應的內阻越大,在較大充放電電流下,衰減電池的溫升加速,溫升反過來又加速電池衰減,最終形成惡性循環(huán)。
電池組衰減速度高于單體電池的成因及防范策略
評價電池充放電速度快慢有一個專用名詞,稱之為“倍率”,倍率反映的是電池充放電速度,涉及到兩個主要參數(shù),分別是充放電電流和電池容量,換算公式為:倍率=電流÷容量,由此可見,倍率的大小與電池的充放電電流成正比,與電池的容量成反比。在單電池供電設備中,電池的充放電電流或倍率通常處于某一范圍內,對充電限制電壓和放電截止電壓很容易進行控制,不易發(fā)生過充電或過放電的情況,因而電池實際使用壽命通常都比較長,而對于多串電池組,在沒有任何均衡裝置干預的情況下,無法單獨控制每一塊電池的充電限制電壓和放電截止電壓,衰減電池極容易進入極端狀態(tài)而受損,同時對其它電池又產(chǎn)生連鎖反應,影響其它電池的正常充放電工作,這種影響是非線性的,幾乎呈指數(shù)式加速狀態(tài),一旦有一塊電池受損(實驗發(fā)現(xiàn),一次嚴重的過放電即可造成鋰電池的嚴重衰減甚至永久報廢),整組電池的容量、性能加速下降。某電池一旦發(fā)生衰減,其實際充放電倍率將是組內最高的,這又進一步加快其衰減速度,充電時快速進入過充電狀態(tài),放電時又快速進入過放電狀態(tài),如此連續(xù)幾個充放電循環(huán)后,衰減電池的容量將急劇下降,內阻急劇上升,內阻引起的內部損耗增大,對整個電池組的負面影響是非常明顯的,導致有效放電時間迅速縮短,有效放電容量迅速下降(充電容量也隨之下降),輸出功率下降,因此,電池組的衰減速度遠高于單電池供電設備的電池衰減速度。
根據(jù)前面的分析可知,電池組嚴重衰減后的表現(xiàn)主要有以下幾種:一是充放電容量減少;二是充放電時間縮短;三是帶負載能力變差;四是充放電溫升加速。無論是哪種變化,衰減電池都會通過端電壓表現(xiàn)出來,在充放電的情況下,衰減嚴重的電池與正常電池或衰減輕微電池間的電壓差異表現(xiàn)明顯,這種差異的表現(xiàn),實質就是容量差異以及內阻差異的外在表現(xiàn),體現(xiàn)電池的一致性差異,防范電池組快速衰減就必須解決電池電壓的一致性問題,防止電池發(fā)生過充電和過放電極端?；谀壳暗碾姵毓芾砑夹g,只有轉移式實時電池均衡技術才能實現(xiàn)這一目標。
實例及分析
本文以國家專利技術樣機在不同電池組中的應用實例及數(shù)據(jù)分析進行進一步闡述。
鋰電池組均衡實驗數(shù)據(jù)及分析
實驗電池組采用退役的鋰電池組組裝,2并4串結構,每2并電池作為一個整體,如圖1所示電池組下面的設備為本文鋰電池均衡器樣機。室溫環(huán)境下的2A放電檢測剩余容量分別為1#:2.58Ah,2#:2.09Ah,3#:1.50Ah,4#:2.51Ah,來自多個電池廠商。實際剩余容量分別只有設計容量的58.6%、47.5%、34.1%和57.1%,從實際剩余容量來看,均已達到淘汰標準,整組充電標準為恒流限壓充電,恒流充電電流為2A,整組限壓16.8V,當任意電池的電壓充電至4.20V時,整組電池停止充電。放電標準為2A恒流放電,整組電池放電終止電壓限定為12.0V,當任意電池的電壓放電至3.00V時,整組電池停止放電,循環(huán)均衡充放電次數(shù)30次。
為便于對比,先進行常規(guī)放電,實測有效安全放電時間為45min,計算放電容量為1.50Ah,等于3#電池的容量,即3#電池的容量代表了整個電池組的容量,完全符合木桶短板理論。此時,其它3塊電池雖然還有較多電量,但無法釋放出來,容量浪費嚴重。放電的同時,采用紅外線測溫儀定時對每一塊電池的外殼進行溫度測量,并記錄相應數(shù)據(jù),實際測量數(shù)據(jù)見表1,實測溫度數(shù)據(jù)表明,衰減最嚴重的3#電池的溫升速度和絕對值均明顯高于其它衰減程度稍低的電池。
通過電壓測量數(shù)據(jù)可以看到,衰減最嚴重的3#電池電壓下降速度最快,這個數(shù)據(jù)也說明了3#電池內阻R上產(chǎn)生的壓降U損耗是最大的,依據(jù)內阻的損耗公式P=U2/R,其產(chǎn)生的熱量最多,因此,溫升必然最大。從放電結束時的電壓數(shù)據(jù)可以看到,除3#電池外,其它3塊電池均剩余較多電量沒有得到有效釋放,浪費嚴重,特別是1#和4#電池。
接下來,對電池組接入本文所述電池均衡器樣機進行充放電,在連續(xù)進行的30次均衡充放電實驗中,平均安全有效放電時間約61min,平均放電容量約2.03Ah,遠高于標準放電模式下的1.50Ah。雖然3#電池的容量最小,但在充放電全程未發(fā)生過充電或過放電的情況,最高電壓4.22V,均優(yōu)于鋰電池的充電限制電壓4.25V和放電截止電壓2.75V,完全實現(xiàn)了安全充放電,其它3塊電池的容量也都得到了高效、安全、合理利用,幾乎沒有剩余,無論是實際放電時間,還是實際放電容量都遠遠高于常規(guī)放電數(shù)據(jù),真正實現(xiàn)了不同容量的高效、合理利用。均衡放電結束時,4塊電池的最低電壓在2.99～3.02V之間,非常理想。在電池的放電溫升監(jiān)測中,衰減最嚴重的3#電池的溫升由于受到電池均衡器的干預,實際溫升顯著下降,實測不同時間點的絕對溫度數(shù)據(jù)見表2。
均衡放電數(shù)據(jù)表明,在高效實時電池均衡器的介入下,溫升方面,衰減最嚴重的3#電池的溫升速度和絕對值處于最小狀態(tài);電壓差方面,從均衡放電開始,一直到放電結束,電壓差始終處于非常小的狀態(tài),近似完美;而在放電時間和放電容量方面,都遠遠超過常規(guī)放電,所有電池的電量幾乎全部放電完畢,當?shù)竭_放電截止電壓時,3#電池仍處在非常高的安全電壓值以內。
如果對比相同放電時間點的溫升,就會發(fā)現(xiàn),在均衡放電環(huán)境溫度略高的情況下,無論是最高溫升還是平均溫升,均衡放電情況下的溫升始終處于最小狀態(tài),溫升的降低,對于延長電池組的使用壽命是非常有好處的。
本實驗電池組的一致性問題非常嚴重,在沒有本文中的電池均衡器情況下,能夠安全充入的最大電量取決于3#電池,3#電池由于容量最小,最先充滿電,如果沒有安全充電控制,很快就會進入過充電狀態(tài),使電池受損;放電時,其可放出的電量同樣取決于3#電池的容量,3#電池最先放完電,如果沒有安全放電控制,隨后就會進入過放電狀態(tài),使電池進一步受損,反復充放電后,3#電池的容量將進一步快速衰減。3#電池在容量嚴重衰減的情況下,還會伴生另一個嚴重問題,那就是內阻進一步快速上升。對于蓄電池來說,內阻越小越好,內阻的上升會使電池在大電流充電或放電時溫度快速升高,溫升對于蓄電池副作用很大,特別是過高的溫升不僅加速電池的衰減,嚴重影響和縮短蓄電池的使用壽命,嚴重的還會引發(fā)熱失控故障。在本電池組中,標準充放電情況下,3#電池的溫升始終處于最高,進一步加速其衰減。
而在均衡器介入下,通過均衡器的高效分流功能,3#電池的實際充放電流顯著下降,電壓上升和下降速度實現(xiàn)了與其它3塊電池同步,電壓差也非常小,內阻導致的發(fā)熱量顯著下降,實測最高溫升低于其它3塊電池,溫升引起的衰減被有效控制,有效降低了3#電池的進一步衰減速度。
實測數(shù)據(jù)和溫升變化曲線如圖2和圖3所示,通過曲線可以明顯看到,標準放電情況下,衰減最嚴重的3#鋰電池,溫速度非?？?無論是溫度的絕對值,還是升高速度都明顯超過其它衰減程度低的鋰電池;同樣的鋰電池組,當使用了高效電池均衡器后,溫升情況發(fā)生反轉,衰減最嚴重的3#鋰電池,溫升速度和絕對值明顯下降,在相同的放電時間點(45min),無論是溫度的絕對值,還是升高速度都是組內最低的。對于整個電池組而然,使用電池均衡器后,在對應的時間點,單元電池的最高溫度和平均溫度均低于常規(guī)放電時的對應溫度,發(fā)生這種情況的根本原因是均衡器的介入明顯降低了衰減最嚴重的3#電池實際放電電流,由于內阻原因導致的溫升被主動降低。
24串單體2V170Ah鉛酸蓄電池組均衡實驗數(shù)據(jù)及分析
實驗電池組如圖4所示,這是一組容量快速衰減、無法正常使用時用戶返廠等待檢測的機車用電池組,上方的白色裝置為本文電池均衡器樣機模塊?？蛻舴从?該電池組實際使用時間只有一年多,放電時間非常短,不僅帶負載后電壓下降速度非常快,而且充電時很快就顯示充滿電,電池組很不耐用。
實測正常充滿電后,在0.1C(17A)放電倍率的情況下,實際安全放電時間不足30min,2#電池就放電完畢并快速進入過放電狀態(tài),溫升也明顯偏高,隨后又有幾塊電池電壓急速下降,立刻結束放電。接下來,接入本文2V鉛酸蓄電池均衡器專利樣機模塊,在均衡器的全程介入和自動干預下進行電池組的均衡充放電對照實驗,放電標準相同,當任意電池的電壓下降至1.80V時停止放電,首次均衡放電時間長達1.5h,是標準放電時間的3倍,放電容量達到25.5Ah,是標準放電容量的3倍,此時,2#電池仍在安全電壓值以內,溫升很低,與其它電池溫升相似,首次標準放電中電壓偏低的幾塊電池電壓也始終處于安全值以內。在接下來的連續(xù)7個循環(huán)均衡充放電實驗中,均衡放電時間逐漸延長至2.8h左右并處于相對穩(wěn)定狀態(tài),后經(jīng)連續(xù)均衡充放電實驗,放電時間基本都穩(wěn)定在2.6～3.0h之間,達到標準放電時間的5倍多,實測組中衰減電池的最小放電電流與性能最好電池的最大放電電流的差值達到10A以上,衰減電池的實際放電電流幾乎處于最小值,有效地保護了衰減電池,充電期間,2#電池和其它幾塊容量相對較小的電池,充電電壓始終處于安全值以內,未發(fā)生過充電情況。
技術原理
從上面兩個實例的對比實驗數(shù)據(jù)來看,使用本文電池均衡器后,電池組的安全放電容量和放電時間明顯延長,衰減電池的溫升顯著下降,控制衰減電池過充電和過放電效果顯著,下面對均衡機理進行簡要闡述。
本文所述電池均衡技術,采用相對電壓差控制技術和電能轉移技術進行電池均衡,通過實時對相鄰電池的電壓進行均衡實現(xiàn)整組電池的電壓均衡和荷電量均衡,特別是其獨特的雙向同步整流技術能大幅度提高均衡電流和均衡效率,通過高速分流技術降低衰減電池的實際工作電流和溫升。基于其均衡實現(xiàn)原理,適用于電池組運行的全過程,包括充電、放電以及靜止期。例如,放電期間,根據(jù)不同容量電池的放電電壓特性,自動識別大小容量電池并對大容量電池自動增大放電電流,提高放電倍率,增大的放電電流通過均衡器轉換為衰減電池提供一個疊加電流,彌補小容量電池放電能力的不足。同時,自動減小小容量電池的放電電流和放電倍率,最終實現(xiàn)所有不同容量電池電壓同步下降。
如果電池容量差異不是非常大,并且均衡電流足夠大,均衡效率足夠高,則所有電池基本上可以同時放完電,電池容量得到充分利用。2串電池放電均衡原理示意圖如圖5所示。
同樣,充電時,系統(tǒng)根據(jù)電池的相對電壓特征自動識別電池容量大小,對小容量電池自動降低充電電流,降低其充電倍率和電壓上升速度以及溫升。相反,對容量較大的電池自動增大充電電流,增大充電倍率和電壓上升速度,實現(xiàn)所有不同容量電池電壓同步上升,如果電池容量差異不是非常大,并且均衡電流足夠大,均衡效率足夠高,則所有電池為等倍率充電,同時充滿電。
電池組靜止期間,均衡器通過自動調節(jié)不同電池間的電量進行電壓均衡,實現(xiàn)所有不同容量電池的電壓基本一致。
結束語????結論與展望
本文通過兩組衰減電池的均衡對照實例,展現(xiàn)了高效電池均衡技術對衰減電池組的容量和衰減電池溫升的積極影響,在鋰電池組均衡充放電中,樣機的最大均衡電流大于電池組的最大充放電電流,均衡充分,不同電池的容量得到完全發(fā)揮,衰減電池的溫升控制理想;在大容量鉛酸電池組中,受實驗樣機最大均衡電流的限制,還有部分電池的電量沒有得到正常釋放和利用,如果采用更大均衡電流的樣機(該技術特有的雙向同步整流技術支持大電流均衡),則有效放電時間和放電容量還可以延長。進一步的研究和大量科學實驗數(shù)據(jù)表明,轉移式實時電池均衡器介入得越早,對控制電池衰減的作用越明顯。這一結果表明,電池成組時就裝配上轉移式實時電池均衡器不僅更有利于延長電池組的使用壽命,而且大幅度降低對均衡電流的指標要求,特別適合大容量儲能、動力電池組以及梯次電池的規(guī)?；瘧?能夠有效地預防電池組的熱失控故障,保障電池組的運行安全。
作者簡介
周寶林(1968-):大慶市交通運輸局高級工程師,工程碩士,主要研究方向:電池均衡技術。
