單體電池設(shè)計(jì)壽命和使用壽命較長(zhǎng),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(wèn)題,備受廣大科技人員和用戶(hù)的關(guān)注。電池組的一致性問(wèn)題不僅嚴(yán)重縮短續(xù)航時(shí)間,輸出功率快速下降,嚴(yán)重的還會(huì)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(fù)雜,既有電池自身(俗稱(chēng)內(nèi)因)原因引起的衰減差異,也有使用期間的外界因素(俗稱(chēng)外因),特別是充放電電壓、充放電電流、溫度差異等,外因與內(nèi)因相互促進(jìn),最終導(dǎo)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(duì)于蓄電池,無(wú)論使用與否,它都會(huì)隨著時(shí)間的流逝而產(chǎn)生衰減,包括容量的衰減、內(nèi)阻的增大、自放電率的變化等等。內(nèi)因?qū)τ陔姵氐乃p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(jì),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(duì)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(huì)直接影響電池的充電限制電壓和放電截止電壓,當(dāng)施加于電池的端電壓大于充電限制電壓或放電時(shí)的端電壓低于放電截止電壓時(shí),電池會(huì)受到不可恢復(fù)的損傷,并且這個(gè)電壓差值越大,電池受到的傷害越重,直至失效或報(bào)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(duì)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(dǎo)致衰減電池過(guò)充電及過(guò)放電,過(guò)充電和過(guò)放電是電池衰減和損壞的殺手。另外,衰減電池的內(nèi)阻明顯高于正常電池,衰減越嚴(yán)重,相對(duì)應(yīng)的內(nèi)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(guò)來(lái)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(píng)價(jià)電池充放電速度快慢有一個(gè)專(zhuān)用名詞,稱(chēng)之為“倍率”,倍率反映的是電池充放電速度,涉及到兩個(gè)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(jiàn),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(shè)備中,電池的充放電電流或倍率通常處于某一范圍內(nèi),對(duì)充電限制電壓和放電截止電壓很容易進(jìn)行控制,不易發(fā)生過(guò)充電或過(guò)放電的情況,因而電池實(shí)際使用壽命通常都比較長(zhǎng),而對(duì)于多串電池組,在沒(méi)有任何均衡裝置干預(yù)的情況下,無(wú)法單獨(dú)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(jìn)入極端狀態(tài)而受損,同時(shí)對(duì)其它電池又產(chǎn)生連鎖反應(yīng),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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),一次嚴(yán)重的過(guò)放電即可造成鋰電池的嚴(yán)重衰減甚至永久報(bào)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(shí)際充放電倍率將是組內(nèi)最高的,這又進(jìn)一步加快其衰減速度,充電時(shí)快速進(jìn)入過(guò)充電狀態(tài),放電時(shí)又快速進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài),如此連續(xù)幾個(gè)充放電循環(huán)后,衰減電池的容量將急劇下降,內(nèi)阻急劇上升,內(nèi)阻引起的內(nèi)部損耗增大,對(duì)整個(gè)電池組的負(fù)面影響是非常明顯的,導(dǎo)致有效放電時(shí)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(yuǎn)高于單電池供電設(shè)備的電池衰減速度。
根據(jù)前面的分析可知,電池組嚴(yán)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(shí)間縮短;三是帶負(fù)載能力變差;四是充放電溫升加速。無(wú)論是哪種變化,衰減電池都會(huì)通過(guò)端電壓表現(xiàn)出來(lái),在充放電的情況下,衰減嚴(yán)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(shí)質(zhì)就是容量差異以及內(nèi)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(wèn)題,防止電池發(fā)生過(guò)充電和過(guò)放電極端?；谀壳暗碾姵毓芾砑夹g(shù),只有轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
實(shí)例及分析
本文以國(guó)家專(zhuān)利技術(shù)樣機(jī)在不同電池組中的應(yīng)用實(shí)例及數(shù)據(jù)分析進(jìn)行進(jìn)一步闡述。
鋰電池組均衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
實(shí)驗(yàn)電池組采用退役的鋰電池組組裝,2并4串結(jié)構(gòu),每2并電池作為一個(gè)整體,如圖1所示電池組下面的設(shè)備為本文鋰電池均衡器樣機(jī)。室溫環(huán)境下的2A放電檢測(cè)剩余容量分別為1#:2.58Ah,2#:2.09Ah,3#:1.50Ah,4#:2.51Ah,來(lái)自多個(gè)電池廠商。實(shí)際剩余容量分別只有設(shè)計(jì)容量的58.6%、47.5%、34.1%和57.1%,從實(shí)際剩余容量來(lái)看,均已達(dá)到淘汰標(biāo)準(zhǔn),整組充電標(biāo)準(zhǔn)為恒流限壓充電,恒流充電電流為2A,整組限壓16.8V,當(dāng)任意電池的電壓充電至4.20V時(shí),整組電池停止充電。放電標(biāo)準(zhǔn)為2A恒流放電,整組電池放電終止電壓限定為12.0V,當(dāng)任意電池的電壓放電至3.00V時(shí),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(duì)比,先進(jìn)行常規(guī)放電,實(shí)測(cè)有效安全放電時(shí)間為45min,計(jì)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(gè)電池組的容量,完全符合木桶短板理論。此時(shí),其它3塊電池雖然還有較多電量,但無(wú)法釋放出來(lái),容量浪費(fèi)嚴(yán)重。放電的同時(shí),采用紅外線測(cè)溫儀定時(shí)對(duì)每一塊電池的外殼進(jìn)行溫度測(cè)量,并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù),實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)表明,衰減最嚴(yán)重的3#電池的溫升速度和絕對(duì)值均明顯高于其它衰減程度稍低的電池。
通過(guò)電壓測(cè)量數(shù)據(jù)可以看到,衰減最嚴(yán)重的3#電池電壓下降速度最快,這個(gè)數(shù)據(jù)也說(shuō)明了3#電池內(nèi)阻R上產(chǎn)生的壓降U損耗是最大的,依據(jù)內(nèi)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(jié)束時(shí)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(méi)有得到有效釋放,浪費(fèi)嚴(yán)重,特別是1#和4#電池。
接下來(lái),對(duì)電池組接入本文所述電池均衡器樣機(jī)進(jìn)行充放電,在連續(xù)進(jìn)行的30次均衡充放電實(shí)驗(yàn)中,平均安全有效放電時(shí)間約61min,平均放電容量約2.03Ah,遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)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(guò)充電或過(guò)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(shí)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(méi)有剩余,無(wú)論是實(shí)際放電時(shí)間,還是實(shí)際放電容量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)放電數(shù)據(jù),真正實(shí)現(xiàn)了不同容量的高效、合理利用。均衡放電結(jié)束時(shí),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(cè)中,衰減最嚴(yán)重的3#電池的溫升由于受到電池均衡器的干預(yù),實(shí)際溫升顯著下降,實(shí)測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)的絕對(duì)溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
均衡放電數(shù)據(jù)表明,在高效實(shí)時(shí)電池均衡器的介入下,溫升方面,衰減最嚴(yán)重的3#電池的溫升速度和絕對(duì)值處于最小狀態(tài);電壓差方面,從均衡放電開(kāi)始,一直到放電結(jié)束,電壓差始終處于非常小的狀態(tài),近似完美;而在放電時(shí)間和放電容量方面,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)放電,所有電池的電量幾乎全部放電完畢,當(dāng)?shù)竭_(dá)放電截止電壓時(shí),3#電池仍處在非常高的安全電壓值以?xún)?nèi)。
如果對(duì)比相同放電時(shí)間點(diǎn)的溫升,就會(huì)發(fā)現(xiàn),在均衡放電環(huán)境溫度略高的情況下,無(wú)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(duì)于延長(zhǎng)電池組的使用壽命是非常有好處的。
本實(shí)驗(yàn)電池組的一致性問(wèn)題非常嚴(yán)重,在沒(méi)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(mǎn)電,如果沒(méi)有安全充電控制,很快就會(huì)進(jìn)入過(guò)充電狀態(tài),使電池受損;放電時(shí),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(méi)有安全放電控制,隨后就會(huì)進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài),使電池進(jìn)一步受損,反復(fù)充放電后,3#電池的容量將進(jìn)一步快速衰減。3#電池在容量嚴(yán)重衰減的情況下,還會(huì)伴生另一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題,那就是內(nèi)阻進(jìn)一步快速上升。對(duì)于蓄電池來(lái)說(shuō),內(nèi)阻越小越好,內(nèi)阻的上升會(huì)使電池在大電流充電或放電時(shí)溫度快速升高,溫升對(duì)于蓄電池副作用很大,特別是過(guò)高的溫升不僅加速電池的衰減,嚴(yán)重影響和縮短蓄電池的使用壽命,嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)熱失控故障。在本電池組中,標(biāo)準(zhǔn)充放電情況下,3#電池的溫升始終處于最高,進(jìn)一步加速其衰減。
而在均衡器介入下,通過(guò)均衡器的高效分流功能,3#電池的實(shí)際充放電流顯著下降,電壓上升和下降速度實(shí)現(xiàn)了與其它3塊電池同步,電壓差也非常小,內(nèi)阻導(dǎo)致的發(fā)熱量顯著下降,實(shí)測(cè)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(jìn)一步衰減速度。
實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和溫升變化曲線如圖2和圖3所示,通過(guò)曲線可以明顯看到,標(biāo)準(zhǔn)放電情況下,衰減最嚴(yán)重的3#鋰電池,溫速度非?？?無(wú)論是溫度的絕對(duì)值,還是升高速度都明顯超過(guò)其它衰減程度低的鋰電池;同樣的鋰電池組,當(dāng)使用了高效電池均衡器后,溫升情況發(fā)生反轉(zhuǎn),衰減最嚴(yán)重的3#鋰電池,溫升速度和絕對(duì)值明顯下降,在相同的放電時(shí)間點(diǎn)(45min),無(wú)論是溫度的絕對(duì)值,還是升高速度都是組內(nèi)最低的。對(duì)于整個(gè)電池組而然,使用電池均衡器后,在對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn),單元電池的最高溫度和平均溫度均低于常規(guī)放電時(shí)的對(duì)應(yīng)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(yán)重的3#電池實(shí)際放電電流,由于內(nèi)阻原因?qū)е碌臏厣恢鲃?dòng)降低。
24串單體2V170Ah鉛酸蓄電池組均衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
實(shí)驗(yàn)電池組如圖4所示,這是一組容量快速衰減、無(wú)法正常使用時(shí)用戶(hù)返廠等待檢測(cè)的機(jī)車(chē)用電池組,上方的白色裝置為本文電池均衡器樣機(jī)模塊。客戶(hù)反映,該電池組實(shí)際使用時(shí)間只有一年多,放電時(shí)間非常短,不僅帶負(fù)載后電壓下降速度非?？?而且充電時(shí)很快就顯示充滿(mǎn)電,電池組很不耐用。
實(shí)測(cè)正常充滿(mǎn)電后,在0.1C(17A)放電倍率的情況下,實(shí)際安全放電時(shí)間不足30min,2#電池就放電完畢并快速進(jìn)入過(guò)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(jié)束放電。接下來(lái),接入本文2V鉛酸蓄電池均衡器專(zhuān)利樣機(jī)模塊,在均衡器的全程介入和自動(dòng)干預(yù)下進(jìn)行電池組的均衡充放電對(duì)照實(shí)驗(yàn),放電標(biāo)準(zhǔn)相同,當(dāng)任意電池的電壓下降至1.80V時(shí)停止放電,首次均衡放電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1.5h,是標(biāo)準(zhǔn)放電時(shí)間的3倍,放電容量達(dá)到25.5Ah,是標(biāo)準(zhǔn)放電容量的3倍,此時(shí),2#電池仍在安全電壓值以?xún)?nèi),溫升很低,與其它電池溫升相似,首次標(biāo)準(zhǔn)放電中電壓偏低的幾塊電池電壓也始終處于安全值以?xún)?nèi)。在接下來(lái)的連續(xù)7個(gè)循環(huán)均衡充放電實(shí)驗(yàn)中,均衡放電時(shí)間逐漸延長(zhǎng)至2.8h左右并處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),后經(jīng)連續(xù)均衡充放電實(shí)驗(yàn),放電時(shí)間基本都穩(wěn)定在2.6～3.0h之間,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)放電時(shí)間的5倍多,實(shí)測(cè)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(dá)到10A以上,衰減電池的實(shí)際放電電流幾乎處于最小值,有效地保護(hù)了衰減電池,充電期間,2#電池和其它幾塊容量相對(duì)較小的電池,充電電壓始終處于安全值以?xún)?nèi),未發(fā)生過(guò)充電情況。
技術(shù)原理
從上面兩個(gè)實(shí)例的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)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(shí)間明顯延長(zhǎng),衰減電池的溫升顯著下降,控制衰減電池過(guò)充電和過(guò)放電效果顯著,下面對(duì)均衡機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。
本文所述電池均衡技術(shù),采用相對(duì)電壓差控制技術(shù)和電能轉(zhuǎn)移技術(shù)進(jìn)行電池均衡,通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)相鄰電池的電壓進(jìn)行均衡實(shí)現(xiàn)整組電池的電壓均衡和荷電量均衡,特別是其獨(dú)特的雙向同步整流技術(shù)能大幅度提高均衡電流和均衡效率,通過(guò)高速分流技術(shù)降低衰減電池的實(shí)際工作電流和溫升?；谄渚鈱?shí)現(xiàn)原理,適用于電池組運(yùn)行的全過(guò)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(dòng)識(shí)別大小容量電池并對(duì)大容量電池自動(dòng)增大放電電流,提高放電倍率,增大的放電電流通過(guò)均衡器轉(zhuǎn)換為衰減電池提供一個(gè)疊加電流,彌補(bǔ)小容量電池放電能力的不足。同時(shí),自動(dòng)減小小容量電池的放電電流和放電倍率,最終實(shí)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(shí)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(shí),系統(tǒng)根據(jù)電池的相對(duì)電壓特征自動(dòng)識(shí)別電池容量大小,對(duì)小容量電池自動(dòng)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(duì)容量較大的電池自動(dòng)增大充電電流,增大充電倍率和電壓上升速度,實(shí)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(shí)充滿(mǎn)電。
電池組靜止期間,均衡器通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)不同電池間的電量進(jìn)行電壓均衡,實(shí)現(xiàn)所有不同容量電池的電壓基本一致。
結(jié)束語(yǔ)????結(jié)論與展望
本文通過(guò)兩組衰減電池的均衡對(duì)照實(shí)例,展現(xiàn)了高效電池均衡技術(shù)對(duì)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(jī)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)最大均衡電流的限制,還有部分電池的電量沒(méi)有得到正常釋放和利用,如果采用更大均衡電流的樣機(jī)(該技術(shù)特有的雙向同步整流技術(shù)支持大電流均衡),則有效放電時(shí)間和放電容量還可以延長(zhǎng)。進(jìn)一步的研究和大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器介入得越早,對(duì)控制電池衰減的作用越明顯。這一結(jié)果表明,電池成組時(shí)就裝配上轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器不僅更有利于延長(zhǎng)電池組的使用壽命,而且大幅度降低對(duì)均衡電流的指標(biāo)要求,特別適合大容量?jī)?chǔ)能、動(dòng)力電池組以及梯次電池的規(guī)?；瘧?yīng)用,能夠有效地預(yù)防電池組的熱失控故障,保障電池組的運(yùn)行安全。
作者簡(jiǎn)介
周寶林(1968-):大慶市交通運(yùn)輸局高級(jí)工程師,工程碩士,主要研究方向:電池均衡技術(shù)。
