管控单元电池过充和过放是解决电池组一致性难题的根本
资讯类型:行业新闻 加入时间:2019年8月9日22:49
    导读:单体电池设计和使用寿命较长,但串联成电池组使用后,寿命大幅度缩短,且串数越多,寿命越短的现实,无时不刻在困扰着电池生产厂商、用户和科技人员。通过对大量故障电池组的拆解和故障检测发现,问题的主要原因是由于电池组的一致性问题引起个别单元电池频繁过充电和过放电导致的,问题的关键是电池管理技术无法满足电池组一致性控制需求,本文以转移式实时电池均衡技术的实现原理和应用实例,说明这种电池均衡技术的具有非常高的实用价值。
    关键词:过充电,过放电,一致性,热失控,实时均衡
    1·一致性问题产生的原因及表现
    电池组一致性差异管理难题由来已久,长期以来,一直困扰着电池厂商、广大用户和技术管理人员,难以有效解决,其产生原因是多方面的,既包括电池组自身的原因,与电池的生产工艺、品控和配组有关,简称称内因;也包括使用期间的外界因素,如温度差异、充放电流、充放电压、充放倍率等,简称外因。大量检测数据表明,外因是导致电池组一致性快速劣化的最主要原因。内因和外因共同相互作用,最终导致一致性问题越来越严重。
    电池组发生一致性问题后的典型表现为:一是电压变化,组内电池的电压在充电和放电期间总是存在个别单元电池电压出现过高和过低的问题,充电时电压快速上升,放电时电压快速下降,停止放电时,电压又快速反弹,恢复正常;二是充放电时间变化,充电时很快就提示充满电,放电时电量很快就放完,持续放电时间大幅度缩短,无论是充电时间还是放电时间都远远低于使用初期;
    三是充放电容量变化,无论是充电计量容量还是放电容量都远远的低于使用初期,容量缩水严重;四是带负载能力变化,同样的负载,特别是感性负载,如电机,动力性能快速下降;五是电池温升变化,充电和放电期间,个别电池的温升明显过大,远高于组内的其它电池;六是电池外形发生明显变化,个别电池的外廓尺寸发生明显变化,特别是方形电池,突起现象明显(内部压力过大所致)。上述任意现象都表明,电池组发生了典型的一致性问题。
    通过对问题电池组的检测发现,以容量衰减引发故障的比例最大。其次是局部单元漏电和内短路。本文以容量衰减原因引发电池组问题进行阐述和分析,并提出切实高效的解决方案,特别是技术管理方案。而局部单元漏电和内短路通常与电池生产工艺与品控有关,不在本文讨论范畴。
    2·容量衰减电池电压特征
    容量衰减电池相对于正常容量电池,其电压表现非常明显,特别是在充放电阶段,具有明显的规律性特征,本文以单并多串标准电池组为例进行阐述,这是因为流经每一块电池的充电和放电电流始终是相同的。
    充电阶段,衰减电池的电压上升速度高于正常电池,衰减越严重,电压增长速度越快,很容易就会超过充电限制电压;
    放电阶段:衰减电池的电压下降速度高于正常电池,衰竭越严重,电压下降速度越快,很容易就会低于放电截止电压;
    浮充阶段:如果衰减电池的漏电流未发生变化,则电压通常大于正常电池电压,因此在浮充阶段通过电压来判断电池是否发生衰减是不可靠的。
    3·抑制衰减电池电压快速波动方案
    理论和实践证明,电池的过充电和过放电对其破坏性非常大,每发生一次都会造成不可恢复的损伤,并且这种被动损伤呈累积效应,甚至引发爆炸、着火等安全事故。因此,必须通过技术手段确保电池的运行安全,最主要的是要严格控制衰减电池的过充电和过放电,对于一致性较好的电池组,每块电池的实时电压和充放电倍率几乎是相同的,所以电池组才有良好的表现。
    当电池组发生一致性问题后,电压会随之发生变化,对于电池组中的衰减电池,在充电期间为了控制其电压上升速度,希望适当降低其充电电流,或者适当加大正常电池的充电电流,目的是对不同容量电池进行等倍率充电,这样不同容量电池的电压才可能同步上升。同样,在放电期间。为了控制衰减电池电压下降速度,希望适当降低其放电电流,或者适当加大正常电池的放电电流,对不同容量电池进行等倍率放电,这样不同容量电池电压才可能同步下降。
    而要实现这一目标,现有的技术条件下,必须依靠电池均衡器才可能实现,通过电池均衡器的介入和干预,自动调节不同容量电池的充放电电流来调节它们的充放电倍率,最终实现电压的实时一致或相近。
    为了解决电池组的一致性问题,电池生产厂商的方案是从电池生产制造工艺技术和品控着手,实践证明,的确可以提高出厂时的一致性,但随着电池成组后电池环境的差异变化,一致性问题仍然继续出现,无法根治一致性问题,但可以肯定的是,提高出厂时一致性的措施确实可以延缓一致性问题发生的时间。
    既然无法从出厂品控上解决电池组的一致性问题,那么我们就从电池组管理技术着手。第一种方案,使用BMS电池管理技术。利用BMS的实时监测和集中控制功能最大限度地控制衰减电池的过充和过放,但是这样做虽然可以解决电池组的安全运行问题,但会降低电池组的可利用容量,高于放电终止电压的电池容量无法得到利用,浪费有效容量,一致性问题越严重,容量利用率越低,串数越多,问题越突出。
    设计BMS电池管理系统的本意之一是保护电池,延长电池组的循环使用寿命,但现实是真实、残酷的,很多安装了BMS的电池组依然故障频发,频繁出现在生活中、媒体上。问题的原因,一是BMS本身故障失控。
    二是BMS提供的保护功能存在技术缺陷。第二种方案,使用电池均衡技术。目前已知的电池均衡技术主要有三类。分别是电阻耗能式被动电池均衡技术、充电均衡技术以及转移式电池均衡技术。按照均衡原理、均衡效率、均衡速度、以及实用性来看,转移式电池均衡技术是未来发展方向,但是由于受技术架构、研发路线和研发难度等因素的影响,这项技术的研发困难重重,难度之大超乎研发者的预期。
    另外,研发人员又希望将成本控制在合理区间,导致这项技术目前进展依然缓慢,由于存在大量的技术难题需要攻克,但又攻克困难,所以很多当初信心满满的研发团体、企业都是因为面临的技术难题长时间解决不了,而最终选择了放弃研发,截至目前,研发取得成功甚至实现商品化的企业寥寥无几。
    4·电池均衡要重点解决的问题
    通过对大量报废电池组的拆解、检测分析发现,电池组提前报废的最主要原因是一致性问题引起的,而一致性问题的最大根源是单元电池的过充电和过放电,因此,解决一致性问题就必须从解决单元电池的防过充电和过放电入手,必须通过技术手段自动降低衰减电池的充放电电流,从而降低衰减电池的充电速度和放电速度,使之与正常电池保持电压同步上升和下降。
    但由于串联电池组中每块电池的充放电电流都是相同的,因此,电池均衡技术必须解决电流的高速分流问题,既能在充电期间分流,也能在放电期间分流,由于电池的衰减是一个渐进的过程,表现出的电压差也是变化的,因此,均衡电流也必须是动态变化的,以适应电压差的变化,这就对均衡电流提出了更高要求,单一的恒定均衡电流无法满足对均衡电流的需求,必须要在一个较宽的范围内自动调节、自适应变化。
    这是因为,第一,充电前(静止期),衰减电池与正常电池的电压差通常较小,较小的均衡电流即可满足电压均衡的需要,刚开始充电时,电压差同样较小,需要的均衡电流也较小,随着充电的进行,电压差开始拉大,并且呈加速状态,这时就要求均衡电流必须同步增大,以阻止电压差的扩大,而恒定均衡电流设计,通常设定均衡启动电压差,如果电压差小于启动电压差,均衡不启动,减少了均衡时间,必然影响均衡效率,而到了临近充电结束的末期,电压差较大,需要较大的均衡电流,但固定的恒流均衡电流式设计,又无法满足需求,如果充电电流很大,衰减电池同样存在过充电的风险,只有动态均衡电流式设计才能适应这种变化和电流调节;
    第二,放电初期电压差较小,对于恒定均衡电流设计,由于启动电压差的限定,均衡通常不启动,而到了放电中后期,电压差较大时,需要较大的均衡电流,而固定的恒流均衡电流式设计又无法根据需求提供较大的均衡电流,衰减电池存在过放电的风险;
    第三,在充放电恢复期和静止期,正常电池与衰减电池的电压差异通常都不大,较小的均衡电流即可满足需要,通过在不同电压的电池间的小均衡电流流动,从化学活性的角度,可以激活锂离子的活性,实现部分容量的激活及恢复,因此,基于上述需求,理想的电池均衡技术应该具有实时均衡的功能,以动态电流实现全过程的均衡。
    均衡效率是电池均衡技术中一个非常重要的参数。均衡的实现必然要进行电能和电流的调整。理想状态是输入与输出相等,但在实际中永远无法实现,只是希望输出与输入的比值越大越好,比值越大,说明电能和电流的利用率高,节能效果好;比值越小,说明电能和电流的利用率低,节能效果差。
    在目前的三类电池均衡技术中。实现方式多种多样,均衡效率由高到低分别为:转移式电池均衡技术>充电均衡>被动均衡。转移式电池均衡技术,不仅均衡效率最高,均衡速度也是最快的,虽然其研发成本和实现难度也是最大的,但代表了电池均衡技术的发展方向,最具有发展前途,是高价值电池组的首选。
    转移式电池均衡技术理论和样机实验数据表明,这项技术具有解决电池过充电和过放电以及一致性问题的优势,是其它两类电池均衡技术无法比拟的,是一种真正意义上的电池均衡技术。基于该技术目前存在的各种难题和困难,还需要研发人员进行持续不断地进行技术攻关,来解决诸如最大动态电流范围、均衡效率、对电池的适应性、对串数的适应性以及与BMS电池管理系统的联控等难题。
    5·BMS在电池组一致性上的管理缺陷
    BMS对于保障电池组的安全运行及管理,确实可以起到不可替代的作用,但其缺陷也是非常明显的,特别是在一致性管理方面,存在非常大的短板,确切的说,BMS尚未解决电池组的一致性难题。市场上大量安装BMS的电动汽车,并没有因为BMS的存在而使一致性问题消失,经常发生充电起火、运行中起火等事故,就是典型的一致性问题加重后引起的。
    即使BMS在控制电池过充和过放方面非常有效,并且控制成功,但由于在电池均衡方面的短板,电池组的有效容量利用率低,低于平均容量,个别单元电池的衰减越严重,这一问题越突出,电动汽车行驶里程快速衰减就是一个典型例子。
    6·实例及分析
    下面以13串梯次利用锂电池组在不同放电模式下的放电时间对比数据来进行分析和阐述。实验所用电池全部为报废电池组拆解下来的梯次利用电池,分别来自于不同电池厂商,具有不同的充放电曲线,1A放电检测容量从0.55Ah至1.90Ah不等,最大容量差异达到3.5倍,内阻在71毫欧至118毫欧之间不等,内阻一项参数就表明电池衰减较为严重。
    用这样的梯次电池组成的电池组仍为典型的一致性很差的电池组,以下所有的数据均来自这个实验电池组。为了验证均衡器的均衡能力和对容量的利用率,充放电参数采用相同的标准,即充电采用CC/CV模式,最大充电电流为1A,整组电池充电截止电压限制为4.2*13=54.6V,或者当任意一块电池的充电电压达到4.25V时停止充电,防止个别电池过充电;
    放电采用CC模式,放电电流为1A,整组电池终止电压控制为3.0*13=39.0V,或者当任意一块电池的放电电压达到3.00V时停止放电,防止个别电池过放电。实验开始前,所有电池先通过均衡器的均衡充电功能进行均衡充电。
    评价电池组容量的最好方法是测量其放电容量,下面通过常规放电和均衡放电的时间和对应放电容量进行分析和阐述。
    常规放电数据。本电池组中单元电池的最小容量是0.55Ah,代表了该电池组的实际容量,虽然其它电池的容量均相对比较大,但却起不到任何作用,完全符合“木桶原理”中的短板效应,实际放电时间只有33分钟,放电结束时的电压情况如图1所示(平台右侧带有“电池供电”字样电池只负责高精度电压表头供电,不参与充放电过程,下同)。
    通过显示的实时电压可以看到,10#电池(下排红色)已经到达放电截止电压,但其它电池的电压距离放电截止电压还剩余较多,说明还剩余较多电量没有释放出来,容量浪费严重。
    均衡放电数据。对该电池组在均衡器的介入下重新进行标准充电,在放电参数不变的情况下实际放电时间高达58分钟,计算放电容量高达0.97Ah,是标准放电容量的1.76倍,放电结束时电压情况如图2所示,13#电池首先到达放电截止电压,但其它电池电压也都基本接近放电截止电压,最高电压为12#电池(下排右侧第三块电池),只剩下3.070V,整组电池的最大电压差只有70mV,所有电池存储的电量基本释放完毕,实现了容量的最大化利用。
    在均衡放电对比实验中,通过对放电期间的电池进行红外测温发现,在标准放电结束时温升相对较高的10#电池,在均衡放电中的温度始终处于较低的水平,原因就是其实际放电电流大幅度降低,因内阻原因导致的损耗大幅度降低,故而温升较低。
    放电均衡的实现主要是得益于均衡器的设计采用的是差异化电流控制及高效率电能转换,每一块电池都具有不同的放电电流,差异化放电,大容量电池放电电流大一些,小容量电池放电电流小一些,最终实现不同容量电池实现等倍率放电,因此不同容量电池才具有几乎相同的放电时间。
    通过放电对比实验可以看到,均衡放电的最大意义在于:一是有效控制了严重衰减电池的过放电问题,使其不被过放电;二是实现了每一块电池容量都得到高效利用,整组电池的实际放电容量非常接近于所有电池的平均容量,避免了容量的浪费。
    电池均衡的核心目的是保证电池组在安全充放电的情况下存储和释放最多的电量,不必强求每一块电池的电压都实时相同,只要保证在整个过程中没有电池进入过放电或过充电状态即可满足需要。
    本文所用电池均衡器设计,同时支持静态均衡、充电均衡,另外,其独特的双向同步整流设计使其支持大电流均衡,适应于高速均衡的需要,但限于篇幅,相关技术原理和实验对照数据不再介绍。
    7·展望
    在串联电池组中,个别单元电池的过充电和过放电是造成电池组一致性问题的根源,引发的热失控极其后果是严重的,不通过自动化技术手段去解决这个问题,一致性问题将永远存在,锂电池的梯次利用就是一个典型例子,为什么要提倡和鼓励进行梯次利用?主要原因就是因为一致性问题解决的不好,产生的拟“梯次利用”电池太多,尚有利用价值,无法直接处置。

如果一致性问题解决了,可重复利用的梯次电池数量将会大幅度减少,除了整组电池的容量降低外,几乎不会产生其它问题,可以直接使用在对容量要求不高的场合,如果空间满足,可以直接并联使用在空间较宽松的储能场合,如储能电站、通讯基站等。
参考文献
[1]周宝林,周全.一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器
[2]周宝林,周全.转移式电池均衡技术对电池电压与荷电量影响的研究
[3]周宝林,周全.转移式实时电池均衡技术对衰减电池组容量和温升的影响
文章来自:中国燃料电池网
文章作者:佚名
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