电池组的一致性问题不仅使电池组的实际充放电容量降低,影响设备的功率输出和续航时间,严重时还有可能发生“热失控”问题,导致故障的发生。  

基于安全放电的原则,电池组的可释放电量取决于电池组中容量最小的电池,类似于“木桶效应”。电池的串数越多,影响越大。以100串100Ah锂电池组为例,如果因为一致性原因,有一串电池的容量下降到只有80Ah,那么,该电池组的可利用容量只有80Ah,大约20Ah的容量无法利用,相当于1/5的容量浪费了。衰减电池的实际充放电倍率高于电池组的平均放电倍率,充电和放电是的温升明显高于其它电池,衰减进入加速通道并形成恶性循环,结果是电池组的容量迅速下降,而且伴随严重的热失控风险。  

现在,全世界都在通过技术研发提高锂电池的比容量,但限于技术等原因,进展缓慢,而已有的大容量电池组的容量又由于普遍存在的一致性问题,有效容量得不到充分利用,除了电池生产因素导致的电池差异外,使用期间的温度、大电流充放电和电池管理技术跟不上都会导致这一问题的发生。  

放电容量的下降与之对应的就是充电容量同样下降,如果是车用电池组,则表现为电池衰减严重,续航里程严重缩水。

高速放电均衡的优势

目前的电池管理技术,能够解决电池组一致性问题的技术只有电池均衡技术。而要实现电池容量的充分利用,则必须要求电池均衡器同时支持放电均衡、充电均衡和静态均衡,此外,由于不同容量电池的存在,充放电末期存在较高的电压差,因此,电池均衡器还必须具有宽幅的均衡电流和高效的电能转换效率,彻底解决电池均衡器因为均衡电流不足仍发生过充和过放电的问题,既能实现高效均衡又能减少在充分利用容量期间的损失。 

具有这种技术要求的电池均衡技术已经被作者历经多年攻关研发出来,基于压差控制原理自动进行电流调整,不同容量电池的充放电电流完全不同,按需自动匹配充放电电流,结合自创的双向同步整流技术,很小的电压差就可以获得非常大的均衡电流,5A以内均衡电流的设计,可以实现1A/13mV;10～15A均衡电流的设计,可以实现1A/10mV,电压差越大,均衡电流越大,从而实现高速均衡,但这种增大是有限制的,当达到设备的保护点后就会自动进入保护状态,防止均衡器过热烧毁,该技术的鲜明优势是同时支持高速放电均衡、充电均衡和静态均衡,这是很多电池均衡器技术不具备的,高速放电均衡最重要的意义在于能发挥电池容量的最大功效,让应该做功的容量全部利用起来,例如本例剩余的99串20Ah容量,就不是让其躺着,闲置不用,而是全部利用起来,提高平均容量利用率。真正意义上的高速放电均衡包含多方面的含义:实时均衡、支持大电流均衡、电能转换效率要高。  

以本例电池组为例,假设电池组的放电电流为0.2C即20A,那么,本文均衡器的平均均衡电流需要4.5～5.0A即可满足该电池组安全放电,并且所有20Ah的电量都基本可以得到释放。同样,如果电池组的放电电流提高到0.4C即40A,则平均均衡电流需要9.5～10.0A,由于均衡电流是随着电压差变化的,因此,实际峰值均衡电流可能会超过13.0～15.0A左右,普通电池均衡器是无法满足要求的,而本文的采用同步整流技术的实时高功率、高效率转移式电池均衡器则可以满足需要。由于分流功能强大,最差电池(80Ah)因实际放电电流最小,产生的温升也最小,热失控问题也消除了,一举多得。实践证明,支持的均衡电流越大,对小容量电池的过充、过放电保护能力越强,电池组的运行越安全,允许电池间的差异越大。

高速充放电均衡实例

实验电池组中,18650电池(B1电池)1A放电检测容量只有1Ah,方形锂电池(B2电池)的1A放电检测容量高达11Ah,容量相差10倍,其它实验和测量设备包括钳形电流表、数字万用表、智能恒流电子负载、专用充电器及本文所述高效大功率均衡器样机。

高速放电均衡实例

电池组总放电电流5A,B1电池容量小,无法提供较大的放电电流,放电电压会迅速下降,B2电池容量大,可提供较大的放电电流,为了稳定两块电池的电压,这种电池均衡器会根据压差情况提供强大的均衡电流,测量时刻,实测均衡电流高达9.08A(存在测量误差,下同),如图1所示。这个均衡电流一部分来自B2电池,B2电池多放电,多出的放电电流通过均衡器的转换提供给B1电池,弥补B1电池放电电流的不足,这两个电流的和即为均衡电流;方形锂电池的实际放电电流高达9.82A,如图2所示;而18650电池的实际放电电流只有0.87A,如图3所示,在强大均衡电流的作用下,最大电压差只有0.11V,当放电总电压到达6.0V结束电压时,18650电池的放电电压约2.9V,仍处于安全电压值以内。

根据放电倍率的计算公式,B1电池的实际放电倍率为0.87/1=0.87C,B2电池的实际放电倍率为9.82/11=0.89C,如果忽略测量误差,两块电池的放电倍率是相同的。

高速充电均衡实例

这种进行高速充电均衡实验,仍以上述电池组为例,均衡放电结束后,转入均衡充电环节,采用标准的CC-CV模式进行充电,为便于对比,同样以5A恒流充电至自动切换恒压充电,在测量数据时刻,本应通过B1电池的的5A电流,实测充电电流只有0.84A,如图4所示,剩余的4.16A通过均衡器转换提供给B2电池;而B2电池的实测充电电流高达8.8A,如图5所示,相当于有3.8A的充电电流来自于均衡器,电流转换效率高达91%;最大均衡电流实测高达7.97A,如图6所示,数值上非常接近于B1电池的剩余电流4.16A与B2电池的增加电流3.80A的和7.96A。

根据测量数据和充电倍率的计算公式,B1电池的实际充电倍率为0.84/1=0.84C,B2电池的实际充电倍率为8.8/11=0.8C,如果忽略测量误差,两块电池的充电倍率是相同的。 

均衡充电期间,两块电池的电压上升速度基本相同,最大电压差只有0.11V左右,B1电池的最高电压也只有4.23V,始终处于安全电压以内,电池温升正常,得益于采用双向同步整流设计,均衡器样机在连续大电流均衡的情况下只有微量的温升,处于安全温度以内。

数据分析

通过两组大电流均衡充放电实验和测量数据,不难发现,高速均衡对于一致性很差的电池组的作用是不可替代的,这种作用是通过快速调节每块电池的实际充放电电流,使其达到相同的充放电倍率和相近充放电电压来具体实现的,在等倍率充放电的情况下,不仅温升得到控制,容量也得到充分利用。 

电池组的最终实际放电容量与初始容量的比值反映了电池组的运行效率,这一比值越大,说明电池组的健康状况越好,充电均衡技术的最佳效果只能让电池组充满电,实际放电容量取决于容量最小的电池,而放电均衡的介入和干预,将电池容量的利用实现了最大化,可以说,放电均衡决定了电池组的最大放电容量和能力,更具有实际意义。

结束语

电池组的高速充放电均衡对于电池组的运行安全、温升、容量的利用率、电压一致性等运行参数的影响是非常积极、有效的。本文通过对容量悬殊的2串电池组高速充放电均衡实验测量数据的分析进行了诠释和验证,所述的电池均衡技术同样适用于多串电池组,对于控制热失控、预防低容量单元电池过充电和过放电、提高电池组的平均容量利用率作用显著。

作者简介

周宝林(1968-):大庆市交通运输局高级工程师,工程硕士,主要研究方向:电池均衡技术。