電池組的一致性問題不僅使電池組的實際充放電容量降低,影響設備的功率輸出和續航時間,嚴重時還有可能發生“熱失控”問題,導致故障的發生。

基于安全放電的原則,電池組的可釋放電量取決于電池組中容量最小的電池,類似于“木桶效應”。電池的串數越多,影響越大。以100串100Ah鋰離子電池組為例,假如因為一致性原因,有一串電池的容量下降到只有80Ah,那么,該電池組的可利用容量只有80Ah,大約20Ah的容量無法利用,相當于1/5的容量浪費了。衰減電池的實際充放電倍率高于電池組的平均放電倍率,充電和放電是的溫升明顯高于其它電池,衰減進入加速通道并形成惡性循環,結果是電池組的容量迅速下降,而且伴隨嚴重的熱失控風險。

現在,全世界都在通過技術研發提高鋰離子電池的比容量,但限于技術等原因,進展緩慢,而已有的大容量電池組的容量又由于普遍存在的一致性問題,有效容量得不到充分利用,除了電池生產因素導致的電池差異外,使用期間的溫度、大電流充放電和電池管理技術跟不上都會導致這一問題的發生。

放電容量的下降與之對應的就是充電容量同樣下降,假如是車用電池組,則表現為電池衰減嚴重,續航里程嚴重縮水。

高速放電均衡的優勢

目前的電池管理技術,能夠解決電池組一致性問題的技術只有電池均衡技術。而要實現電池容量的充分利用,則必須要求電池均衡器同時支持放電均衡、充電均衡和靜態均衡,此外,由于不同容量電池的存在,充放電末期存在較高的電壓差,因此,電池均衡器還必須具有寬幅的均衡電流和高效的電能轉換效率,徹底解決電池均衡器因為均衡電流不足仍發生過充和過放電的問題,既能實現高效均衡又能減少在充分利用容量期間的損失。

具有這種技術要求的電池均衡技術已經被作者歷經多年攻關研發出來,基于壓差控制原理自動進行電流調整,不同容量電池的充放電電流完全不同,按需自動匹配充放電電流,結合自創的雙向同步整流技術,很小的電壓差就可以獲得非常大的均衡電流,5A以內均衡電流的設計,可以實現1A/13mV;10～15A均衡電流的設計,可以實現1A/10mV,電壓差越大,均衡電流越大,從而實現高速均衡,但這種增大是有限制的,當達到設備的保護點后就會自動進入保護狀態,防止均衡器過熱燒毀,該技術的鮮明優勢是同時支持高速放電均衡、充電均衡和靜態均衡,這是很多電池均衡器技術不具備的,高速放電均衡最重要的意義在于能發揮電池容量的最大功效,讓應該做功的容量全部利用起來,例如本例剩余的99串20Ah容量,就不是讓其躺著,閑置不用,而是全部利用起來,提高平均容量利用率。真正意義上的高速放電均衡包含多方面的含義:實時均衡、支持大電流均衡、電能轉換效率要高。

以本例電池組為例,假設電池組的放電電流為0.2C即20A,那么,本文均衡器的平均均衡電流要4.5～5.0A即可滿足該電池組安全放電,并且所有20Ah的電量都基本可以得到釋放。同樣,假如電池組的放電電流提高到0.4C即40A,則平均均衡電流要9.5～10.0A,由于均衡電流是隨著電壓差變化的,因此,實際峰值均衡電流可能會超過13.0～15.0A左右,普通電池均衡器是無法滿足要求的,而本文的采用同步整流技術的實時高功率、高效率轉移式電池均衡器則可以滿足要。由于分流功能強大,最差電池(80Ah)因實際放電電流最小,出現的溫升也最小,熱失控問題也消除了,一舉多得。實踐證明,支持的均衡電流越大,對小容量電池的過充、過放電保護能力越強,電池組的運行越安全,允許電池間的差異越大。

高速充放電均衡實例

實驗電池組中,18650電池(B1電池)1A放電檢測容量只有1Ah,方形鋰離子電池(B2電池)的1A放電檢測容量高達11Ah,容量相差10倍,其它實驗和測量設備包括鉗形電流表、數字萬用表、智能恒流電子負載、專用充電器及本文所述高效大功率均衡器樣機。

高速放電均衡實例

電池組總放電電流5A,B1電池容量小,無法供應較大的放電電流,放電電壓會迅速下降,B2電池容量大,可供應較大的放電電流,為了穩定兩塊電池的電壓,這種電池均衡器會根據壓差情況供應強大的均衡電流,測量時刻,實測均衡電流高達9.08A(存在測量誤差,下同),如圖1所示。這個均衡電流一部分來自B2電池,B2電池多放電,多出的放電電流通過均衡器的轉換供應給B1電池,彌補B1電池放電電流的不足,這兩個電流的和即為均衡電流;方形鋰離子電池的實際放電電流高達9.82A,如圖2所示;而18650電池的實際放電電流只有0.87A,如圖3所示,在強大均衡電流的用途下,最大電壓差只有0.11V,當放電總電壓到達6.0V結束電壓時,18650電池的放電電壓約2.9V,仍處于安全電壓值以內。

根據放電倍率的計算公式,B1電池的實際放電倍率為0.87/1=0.87C,B2電池的實際放電倍率為9.82/11=0.89C,假如忽略測量誤差,兩塊電池的放電倍率是相同的。

高速充電均衡實例

這種進行高速充電均衡實驗,仍以上述電池組為例,均衡放電結束后,轉入均衡充電環節,采用標準的CC-CV模式進行充電,為便于比較,同樣以5A恒流充電至自動切換恒壓充電,在測量數據時刻,本應通過B1電池的的5A電流,實測充電電流只有0.84A,如圖4所示,剩余的4.16A通過均衡器轉換供應給B2電池;而B2電池的實測充電電流高達8.8A,如圖5所示,相當于有3.8A的充電電流來自于均衡器,電流轉換效率高達91%;最大均衡電流實測高達7.97A,如圖6所示,數值上非常接近于B1電池的剩余電流4.16A與B2電池的新增電流3.80A的和7.96A。

根據測量數據和充電倍率的計算公式,B1電池的實際充電倍率為0.84/1=0.84C,B2電池的實際充電倍率為8.8/11=0.8C,假如忽略測量誤差,兩塊電池的充電倍率是相同的。

均衡充電期間,兩塊電池的電壓上升速度基本相同,最大電壓差只有0.11V左右,B1電池的最高電壓也只有4.23V,始終處于安全電壓以內,電池溫升正常,得益于采用雙向同步整流設計,均衡器樣機在持續大電流均衡的情況下只有微量的溫升,處于安全溫度以內。

數據分析

通過兩組大電流均衡充放電實驗和測量數據,不難發現,高速均衡有關一致性很差的電池組的用途是不可替代的,這種用途是通過快速調節每塊電池的實際充放電電流,使其達到相同的充放電倍率和相近充放電電壓來具體實現的,在等倍率充放電的情況下,不僅溫升得到控制,容量也得到充分利用。

電池組的最終實際放電容量與初始容量的比值反映了電池組的運行效率,這一比值越大,說明電池組的健康狀況越好,充電均衡技術的最佳效果只能讓電池組充滿電,實際放電容量取決于容量最小的電池,而放電均衡的介入和干預,將電池容量的利用實現了最大化,可以說,放電均衡決定了電池組的最大放電容量和能力,更具有實際意義。

結束語

電池組的高速充放電均衡有關電池組的運行安全、溫升、容量的利用率、電壓一致性等運行參數的影響是非常積極、有效的。本文通過對容量懸殊的2串電池組高速充放電均衡實驗測量數據的分析進行了詮釋和驗證,所述的電池均衡技術同樣適用于多串電池組,有關控制熱失控、預防低容量單元電池過充電和過放電、提高電池組的平均容量利用率用途顯著。

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,重要研究方向:電池均衡技術。