中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電池均衡技術(shù)可提高電池組的使用壽命、延長(zhǎng)電池組的使用時(shí)間,適用于大容量鎳氫、2V鉛酸電池、鋰電池、6V鉛酸、12V鉛酸等電池組以及超級(jí)電容器組。
梯次電池與選用
梯次電池是指已經(jīng)使用過(guò)并且達(dá)到原生設(shè)計(jì)壽命,通過(guò)其他方法使其容量全部或部分恢復(fù)繼續(xù)使用的蓄電池。
一般使用5年后的電池,它的有效容量在80%左右。電池的自然衰減進(jìn)入平穩(wěn)期,完全可以按照小容量電池使用,通過(guò)一定數(shù)量電池的并聯(lián)使用,可利用容量獲得數(shù)倍的提高,完全滿足儲(chǔ)能和動(dòng)力需要,這一點(diǎn)與電動(dòng)汽車為了增加續(xù)航里程,采用大量并聯(lián)電池增加電池容量的道理是相同的。
電池組在使用5年后，可用容量和續(xù)航時(shí)間明顯縮短，用戶和經(jīng)銷商通常整體更換，殊不知,并不是一個(gè)電池組內(nèi)的所有電池都需要更換，只是其中的一塊或幾塊電池容量嚴(yán)重衰減影響了整個(gè)電池組，如果有多個(gè)這樣的電池組，通過(guò)檢測(cè)剔除嚴(yán)重衰減的電池，其它電池通過(guò)分容和內(nèi)阻檢測(cè),完全可以重新梯次利用。動(dòng)力電池的梯次利用明顯延長(zhǎng)電池的使用效率和生命周期，減少電池所帶來(lái)的環(huán)境污染，被譽(yù)為是目前和今后的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。
動(dòng)力電池再利用是動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈形成閉環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在環(huán)境保護(hù)、資源回收和提高動(dòng)力電池全壽命周期價(jià)值等方面都具有重要價(jià)值。退役后的動(dòng)力電池經(jīng)過(guò)測(cè)試、篩選、重組等環(huán)節(jié),仍然有能力用于低速電動(dòng)車、備用電源、電力儲(chǔ)能等運(yùn)行工況相對(duì)良好、對(duì)電池性能要求較低的領(lǐng)域。
隨著新能源汽車推廣應(yīng)用力度的不斷加大,每年將產(chǎn)生大量退役電池,動(dòng)力電池梯次利用的概念應(yīng)運(yùn)而生并受到廣泛關(guān)注。
梯次電池利用能提高電池的利用率,延長(zhǎng)電池的生命周期,無(wú)論是節(jié)能方面還是環(huán)保方面意義重大,但是梯次電池利用必須注意一些事項(xiàng):
1
盡可能采用基本單元電池(cell),如2V單體鉛酸蓄電池,各種鋰電池,包括磷酸鐵鋰電池、鈦酸鋰電池、三元鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池等。以多個(gè)單元串聯(lián)后封裝一體的電池,如6V鉛酸蓄電池(3個(gè)2V單元)和12V鉛酸蓄電池(6個(gè)2V單元),不太適合梯次利用,主要是因?yàn)檫@些電池的內(nèi)部為多串電池,自身就存在不均衡的問(wèn)題,無(wú)法通過(guò)外部解決。
2
必須遵循同類型電池成組原則。成組電池必須是相同類型的電池,即電池的工作電壓區(qū)間必須相同。工作電壓區(qū)間不同的電池不能出現(xiàn)在同一電池組中,即使容量相同也不能混用。
3
有條件的情況下,成組電池組裝前要進(jìn)行容量、電壓和內(nèi)阻測(cè)量,盡可能選擇容量和內(nèi)阻接近的電池,減少?gòu)?fù)用期間一致性差異的擴(kuò)大。
由于梯次電池的容量普遍低于標(biāo)稱容量,為獲得足夠的容量,需要使用數(shù)量更多的電池通過(guò)合適的串并聯(lián)來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)容量,因此需要根據(jù)技術(shù)條件來(lái)裝配。
裝配方式一:先并后串,如電動(dòng)汽車用電池組采用此方式。
裝配方式二:先串后并,常用于數(shù)據(jù)中心或機(jī)房。
兩種裝配方式各有優(yōu)缺點(diǎn),適合不同環(huán)境:
先并后串的缺點(diǎn):單元電池連接線和匯流排的選擇非常重要,否則會(huì)造成電池充放電的差異,個(gè)別電池漏電流(或故障)會(huì)影響一個(gè)并聯(lián)單元,對(duì)容量的影響比較大,直接影響續(xù)航時(shí)間(里程);優(yōu)點(diǎn):易于管理,如果增加電池均衡器只需要一組(套)即可。
先串后并的優(yōu)點(diǎn):連接方便,檢修方便,能夠快速檢測(cè)和處理故障電池,易于維護(hù),每一串中的單元電池容量均可以不同,電池利用率高,容量(功率)可以任意擴(kuò)充,增加后備時(shí)間,提高可靠性,特別適合數(shù)據(jù)中心;缺點(diǎn):如果增加電池均衡器需要多組(套)。
4
下列電池不能復(fù)用:一是漏電流大(或自放電率高)的電池;二是外觀發(fā)生形變,如外殼膨脹的電池;三是發(fā)生漏液的電池。
梯次電池均衡
梯次電池的篩選即使非常嚴(yán)格,也難以保證電池的一致性,即使一致性極佳的電池裝配在一起,幾十個(gè)充放電循環(huán)后仍然會(huì)發(fā)生不同程度的差異,并且這種差異會(huì)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸加重,一致性會(huì)越來(lái)越差,明顯表現(xiàn)為電池間的電壓差逐漸拉大,有效充放電時(shí)間越來(lái)越短。大量檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),一致性變差的電池組具有如下特點(diǎn):
1
單元電池的電壓呈現(xiàn)明顯高低錯(cuò)落、不規(guī)則分布;
2
單元電池的剩余容量大小呈現(xiàn)不規(guī)則離散型分布;
3
單元電池的內(nèi)阻大小同樣呈現(xiàn)不規(guī)則離散型分布。
通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),造成電池失衡的最大殺手：
1
電池的溫度差異,電池組的安裝通常都比較密集,每個(gè)部位的電池溫度都不相同,影響電池的一致性發(fā)揮,加速電池間差異；
2
劇烈充放電,加速電池間差異的擴(kuò)大;
儲(chǔ)能電池組的容量都非常大,以標(biāo)稱500Ah電池組為例,假設(shè)電池的最大容量和最小容量的差異是50Ah,其他電池間的差異在5至10Ah不等,則系統(tǒng)的最大有效放電容量為450Ah(暫定其編號(hào)為D電池,下同),假設(shè)放電電流50A,則理論最大放電時(shí)間約為9h。超過(guò)這一時(shí)間,D電池將達(dá)到放電截止電壓,進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài),如果繼續(xù)放電,將嚴(yán)重傷害D電池,其最大有效容量將急劇減少,從而進(jìn)一步降低電池組的最大有效容量。這里面還涉及到一個(gè)放電倍率的問(wèn)題,最大容量電池的放電倍率是0.1C,D電池的放電倍率0.11C,其他電池的放電倍率則處于0.1C～0.11C之間,放電倍率的不同,使每塊電池的衰減程度就不同,這將導(dǎo)致電池的差異和一致性逐漸擴(kuò)大,并且呈加速趨勢(shì)。同樣,充電期間,按0.1C倍率充電,D電池的充電倍率達(dá)到0.11C,處于最大,最先達(dá)到充電限制電壓,繼續(xù)充電將進(jìn)入過(guò)充電狀態(tài),對(duì)D電池造成進(jìn)一步的損壞,其他電池充電倍率則為0.1C～0.11C之間,充電倍率的不同將加劇電池的差異和一致性擴(kuò)大,并且呈加速趨勢(shì)。這樣的電池組,經(jīng)反復(fù)充放電,最終將導(dǎo)致有效容量越來(lái)越小,有效放電時(shí)間越來(lái)越短。大容量?jī)?chǔ)能電池組還有一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題,那就是熱失控風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,對(duì)于本電池組,如果不能進(jìn)行有效防控,D電池將可能成為電池組充放電過(guò)程中溫度最高的一塊電池,極易發(fā)生熱失控故障,輕則電池徹底報(bào)廢,甚至引起電池組故障,重則可能會(huì)發(fā)生更加嚴(yán)重的連帶問(wèn)題,不敢想象。如果電池組在運(yùn)行期間能維持每一塊電池都不發(fā)生過(guò)充電和過(guò)放電,那么電池組的有效容量和放電時(shí)間就能得到保證,始終處于自然衰減狀態(tài),由此可見(jiàn),電池均衡對(duì)于電池組的正常安全運(yùn)行是多么的至關(guān)重要。
對(duì)于本例中的D電池，如果能將其放電電流自動(dòng)降至50A以下，如47～48A，不足的2～3A電流自動(dòng)由其他容量大的電池提供，那么總體放電時(shí)間就可以超過(guò)9h，與其他電池共同到達(dá)放電終點(diǎn)，并且不會(huì)發(fā)生過(guò)放電；同樣，如果能將其充電電流自動(dòng)降至50A以下，如47～48A，剩余的2～3A電流自動(dòng)轉(zhuǎn)移到其他容量大的電池，自動(dòng)提高大容量電池的充電電流，與其他電池共同到達(dá)充電限制電壓，就不會(huì)發(fā)生過(guò)放電。由此可見(jiàn)，均衡電流必須要達(dá)到5A以上方可滿足要求，特別是在充放電末期，從均衡原理上，只有轉(zhuǎn)移式電池均衡器才可能勝任。
目前有效的電池均衡技術(shù)進(jìn)展很不平衡,特別是在均衡電流和均衡效率上,盡管有些方案已經(jīng)采用了同步整流技術(shù),但最大均衡電流多局限在5A以內(nèi),連續(xù)均衡電流只有1～3A,滿足不了需要。由于必須支持雙向均衡,電流轉(zhuǎn)換效率通常也不高,較大均衡電流下的自身發(fā)熱問(wèn)題仍比較突出,還有一個(gè)重要障礙就是設(shè)備成本,由于多數(shù)采用了同步整流芯片,成本增加不少。
高效電池均衡技術(shù)
目前,一種大功率、高效率、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移式電池均衡器技術(shù)已由大慶市交通運(yùn)輸局的周寶林同志歷經(jīng)多年研制成功。它以國(guó)家專利技術(shù)(專利號(hào)201220153997.0和201520061849.X)為核心,又融入了自行發(fā)明的雙向同步整流技術(shù)(已申請(qǐng)專利:一種具有雙向同步整流功能的轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器,申請(qǐng)?zhí)?201710799424.2),這是一種不需要同步整流芯片的雙向同步整流技術(shù),不僅設(shè)備成本大幅度降低,而且將均衡電流和均衡效率大幅度提升。實(shí)現(xiàn)了均衡技術(shù)指標(biāo)上的突破,具有以下特點(diǎn):
1
均衡電流范圍大。均衡電流大就意味著均衡速度非?？?見(jiàn)附表。目前增強(qiáng)版鋰電池均衡器已實(shí)現(xiàn)均衡電流與電壓差的關(guān)系約為1A/13mV,例如電壓差達(dá)到130mV時(shí),均衡電流可以達(dá)到10A左右,特別有利于高速均衡。
2
均衡效率高。均衡效率高意味著電能的損耗更少,利用率更高,設(shè)備的溫升更低,見(jiàn)表1。
3
實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)均衡。電池組靜止?fàn)顟B(tài)下,可以將組內(nèi)最大電壓差控制在10mV以內(nèi)甚至更小(取決于基準(zhǔn)電壓差的設(shè)定),并進(jìn)入微功耗待機(jī)檢測(cè)狀態(tài),電池組無(wú)論是在充電狀態(tài),還是在放電狀態(tài),一旦檢測(cè)到電壓差大于基準(zhǔn)電壓差,立即進(jìn)入高速均衡狀態(tài),實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)均衡的最大好處是有效均衡時(shí)間長(zhǎng),均衡器的效率最高,其獨(dú)特的脈沖技術(shù)對(duì)電池具有良好的養(yǎng)護(hù)和容量提升效果,已經(jīng)得到應(yīng)用的檢驗(yàn)。
使用大電流、高效率電池均衡器能最大限度預(yù)防衰減電池的過(guò)充電、過(guò)放電以及熱失控故障。即使電池組的容量衰減已形成一致性變差的事實(shí),也能非常好地降低其衰減速度,通過(guò)自動(dòng)強(qiáng)制電壓保持一致性,在一定程度上還能提高電池組的有效容量,延長(zhǎng)電池組的循環(huán)使用壽命,特別是明顯減少維修和維護(hù)成本。
實(shí)際使用效果:在24串單體2V170Ah客戶返廠鉛酸蓄電池組上的使用。采用標(biāo)準(zhǔn)17A電流充放電,在無(wú)均衡器情況下,充滿電后的最大放電時(shí)間約3h,3塊電池放電期間發(fā)熱嚴(yán)重,嚴(yán)重過(guò)放電,電壓值低于0.5V,其中1塊電池為-0.1V,出現(xiàn)了極性反轉(zhuǎn),21塊電池電壓在1.8～2.0V不等,尚有很多電量沒(méi)有釋放出來(lái);使用本文的電池均衡器樣機(jī)后,標(biāo)準(zhǔn)充放電參數(shù)下,幾個(gè)充放電循環(huán)后,放電時(shí)間逐漸延長(zhǎng)到5.5h左右,提高效能達(dá)80%以上,3塊最差的電池,放電結(jié)束后的電壓全部在1.5V以上,并且放電電壓逐漸上升,特別是當(dāng)初發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題,得到極大改善,溫度降低非常明顯,只有4塊電池的電壓在1.9V左右，其余電池均在1.8V左右，電池電量得到充分、有效釋放。圖1為實(shí)驗(yàn)電池組。
作者簡(jiǎn)介
周寶林(1968-),男,高級(jí)工程師,工程碩士,長(zhǎng)期從事電池保護(hù)技術(shù)研究,擁有多項(xiàng)電池管理方面專利。
