電池組的一致性問題不僅使電池組的實(shí)際充放電容量降低,影響設(shè)備的功率輸出和續(xù)航時(shí)間,嚴(yán)重時(shí)還有可能發(fā)生“熱失控”問題,導(dǎo)致故障的發(fā)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(yīng)”。電池的串?dāng)?shù)越多,影響越大。以100串100Ah鋰離子電池組為例,假如因?yàn)橐恢滦栽?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(dāng)于1/5的容量浪費(fèi)了。衰減電池的實(shí)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(jìn)入加速通道并形成惡性循環(huán),結(jié)果是電池組的容量迅速下降,而且伴隨嚴(yán)重的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)在,全世界都在通過技術(shù)研發(fā)提高鋰離子電池的比容量,但限于技術(shù)等原因,進(jìn)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(chǎn)因素導(dǎo)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(shù)跟不上都會(huì)導(dǎo)致這一問題的發(fā)生。

放電容量的下降與之對(duì)應(yīng)的就是充電容量同樣下降,假如是車用電池組,則表現(xiàn)為電池衰減嚴(yán)重,續(xù)航里程嚴(yán)重縮水。

高速放電均衡的優(yōu)勢(shì)

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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目前的電池管理技術(shù),能夠解決電池組一致性問題的技術(shù)只有電池均衡技術(shù)。而要實(shí)現(xiàn)電池容量的充分利用,則必須要求電池均衡器同時(shí)支持放電均衡、充電均衡和靜態(tài)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(zhuǎn)換效率,徹底解決電池均衡器因?yàn)榫怆娏鞑蛔闳园l(fā)生過充和過放電的問題,既能實(shí)現(xiàn)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(shù)要求的電池均衡技術(shù)已經(jīng)被作者歷經(jīng)多年攻關(guān)研發(fā)出來,基于壓差控制原理自動(dòng)進(jìn)行電流調(diào)整,不同容量電池的充放電電流完全不同,按需自動(dòng)匹配充放電電流,結(jié)合自創(chuàng)的雙向同步整流技術(shù),很小的電壓差就可以獲得非常大的均衡電流,5A以內(nèi)均衡電流的設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)1A/13mV;10～15A均衡電流的設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)1A/10mV,電壓差越大,均衡電流越大,從而實(shí)現(xiàn)高速均衡,但這種增大是有限制的,當(dāng)達(dá)到設(shè)備的保護(hù)點(diǎn)后就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài),防止均衡器過熱燒毀,該技術(shù)的鮮明優(yōu)勢(shì)是同時(shí)支持高速放電均衡、充電均衡和靜態(tài)均衡,這是很多電池均衡器技術(shù)不具備的,高速放電均衡最重要的意義在于能發(fā)揮電池容量的最大功效,讓應(yīng)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(shí)時(shí)均衡、支持大電流均衡、電能轉(zhuǎn)換效率要高。

以本例電池組為例,假設(shè)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(shí)際峰值均衡電流可能會(huì)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(shù)的實(shí)時(shí)高功率、高效率轉(zhuǎn)移式電池均衡器則可以滿足要。由于分流功能強(qiáng)大,最差電池(80Ah)因?qū)嶋H放電電流最小,出現(xiàn)的溫升也最小,熱失控問題也消除了,一舉多得。實(shí)踐證明,支持的均衡電流越大,對(duì)小容量電池的過充、過放電保護(hù)能力越強(qiáng),電池組的運(yùn)行越安全,允許電池間的差異越大。

高速充放電均衡實(shí)例

實(shí)驗(yàn)電池組中,18650電池(B1電池)1A放電檢測(cè)容量只有1Ah,方形鋰離子電池(B2電池)的1A放電檢測(cè)容量高達(dá)11Ah,容量相差10倍,其它實(shí)驗(yàn)和測(cè)量設(shè)備包括鉗形電流表、數(shù)字萬用表、智能恒流電子負(fù)載、專用充電器及本文所述高效大功率均衡器樣機(jī)。

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備

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高速放電均衡實(shí)例

電池組總放電電流5A,B1電池容量小,無法供應(yīng)較大的放電電流,放電電壓會(huì)迅速下降,B2電池容量大,可供應(yīng)較大的放電電流,為了穩(wěn)定兩塊電池的電壓,這種電池均衡器會(huì)根據(jù)壓差情況供應(yīng)強(qiáng)大的均衡電流,測(cè)量時(shí)刻,實(shí)測(cè)均衡電流高達(dá)9.08A(存在測(cè)量誤差,下同),如圖1所示。這個(gè)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(zhuǎn)換供應(yīng)給B1電池,彌補(bǔ)B1電池放電電流的不足,這兩個(gè)電流的和即為均衡電流;方形鋰離子電池的實(shí)際放電電流高達(dá)9.82A,如圖2所示;而18650電池的實(shí)際放電電流只有0.87A,如圖3所示,在強(qiáng)大均衡電流的用途下,最大電壓差只有0.11V,當(dāng)放電總電壓到達(dá)6.0V結(jié)束電壓時(shí),18650電池的放電電壓約2.9V,仍處于安全電壓值以內(nèi)。

根據(jù)放電倍率的計(jì)算公式,B1電池的實(shí)際放電倍率為0.87/1=0.87C,B2電池的實(shí)際放電倍率為9.82/11=0.89C,假如忽略測(cè)量誤差,兩塊電池的放電倍率是相同的。

高速充電均衡實(shí)例

這種進(jìn)行高速充電均衡實(shí)驗(yàn),仍以上述電池組為例,均衡放電結(jié)束后,轉(zhuǎn)入均衡充電環(huán)節(jié),采用標(biāo)準(zhǔn)的CC-CV模式進(jìn)行充電,為便于比較,同樣以5A恒流充電至自動(dòng)切換恒壓充電,在測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)刻,本應(yīng)通過B1電池的的5A電流,實(shí)測(cè)充電電流只有0.84A,如圖4所示,剩余的4.16A通過均衡器轉(zhuǎn)換供應(yīng)給B2電池;而B2電池的實(shí)測(cè)充電電流高達(dá)8.8A,如圖5所示,相當(dāng)于有3.8A的充電電流來自于均衡器,電流轉(zhuǎn)換效率高達(dá)91%;最大均衡電流實(shí)測(cè)高達(dá)7.97A,如圖6所示,數(shù)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(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)和充電倍率的計(jì)算公式,B1電池的實(shí)際充電倍率為0.84/1=0.84C,B2電池的實(shí)際充電倍率為8.8/11=0.8C,假如忽略測(cè)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(nèi),電池溫升正常,得益于采用雙向同步整流設(shè)計(jì),均衡器樣機(jī)在持續(xù)大電流均衡的情況下只有微量的溫升,處于安全溫度以內(nèi)。

數(shù)據(jù)分析

通過兩組大電流均衡充放電實(shí)驗(yàn)和測(cè)量數(shù)據(jù),不難發(fā)現(xiàn),高速均衡有關(guān)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(diào)節(jié)每塊電池的實(shí)際充放電電流,使其達(dá)到相同的充放電倍率和相近充放電電壓來具體實(shí)現(xiàn)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(shí)際放電容量與初始容量的比值反映了電池組的運(yùn)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(shù)的最佳效果只能讓電池組充滿電,實(shí)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(yù),將電池容量的利用實(shí)現(xiàn)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(shí)際意義。

結(jié)束語

電池組的高速充放電均衡有關(guān)電池組的運(yùn)行安全、溫升、容量的利用率、電壓一致性等運(yùn)行參數(shù)的影響是非常積極、有效的。本文通過對(duì)容量懸殊的2串電池組高速充放電均衡實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行了詮釋和驗(yàn)證,所述的電池均衡技術(shù)同樣適用于多串電池組,有關(guān)控制熱失控、預(yù)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(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,重要研究方向:電池均衡技術(shù)。