中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：充電均衡只能解決電池組充滿(mǎn)電的問(wèn)題,實(shí)際釋放電量仍取決于電池組中的最小容量電池,而放電均衡則解決了所有電池容量統(tǒng)一調(diào)配的難題,可以實(shí)現(xiàn)容量安全利用的最大化、最佳化,本文通過(guò)兩串電池組的實(shí)際均衡放電數(shù)據(jù)詮釋了均衡放電的重要性。
電池組的一致性問(wèn)題
電池組的一致性問(wèn)題永遠(yuǎn)是電池管理界永遠(yuǎn)揮之不去的痛，一致性問(wèn)題不僅使電池組的實(shí)際放電容量降低，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(wèn)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(lèi)似于“木桶效應(yīng)”。電池的串?dāng)?shù)越多,影響越大。以100串100Ah鋰電池組為例,如果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(wú)法利用,相當(dāng)于1/5的容量都浪費(fèi)了,無(wú)法得到利用,非常可惜。衰減電池的實(shí)際充放電倍率將高于電池組的平均電流,衰減進(jìn)入加速通道,并形成惡性循環(huán)。惡性循環(huán)的結(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(guò)技術(shù)研發(fā)提高鋰電池的單位容量,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一致性問(wèn)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跟不上都會(huì)導(dǎo)致這一問(wèn)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,如果是車(chē)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。
電池均衡技術(shù)的難點(diǎn)
就目前的電池管理技術(shù),能夠解決電池組一致性問(wèn)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,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。
好消息是,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(lái),經(jīng)過(guò)不間斷的持續(xù)改進(jìn),性能越來(lái)越好,很小的電壓差就可以獲得非常大的均衡電流,5A以?xún)?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,從而實(shí)現(xiàn)高速均衡,該技術(shù)的鮮明優(yōu)勢(shì)是同時(shí)支持高速放電均衡和高速充電均衡,這是很多電池均衡器技術(shù)不具備的。在高速放電均衡期間,大容量電池多釋放的電池容量不經(jīng)過(guò)小容量電池,而是直接進(jìn)入放電通道對(duì)負(fù)載供電,小容量電池由于實(shí)際放電電流降低,因內(nèi)阻原因引起的電池溫升大幅度降低,也降低了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。
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?xiě)?yīng)該做功的容量全部利用起來(lái),例如本例的99串20Ah容量,而不是讓其閑置不用。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。
仍以本例電池組為例,假設(shè)電池組的放電電流為0.2C,即20A,那么,本文均衡器的最大均衡電流只要達(dá)到4.5～5.0A即可滿(mǎn)足該電池組安全放電、并且所有20Ah的電量都可以正常釋放的需要。同樣,如果電池組的放電電流提高到0.4C,即40A,則最大均衡電流需要9～9.5A,普通電池均衡器是無(wú)法滿(mǎn)足要求的，而本文采用的同步整流技術(shù)的實(shí)時(shí)高功率、高效率轉(zhuǎn)移式電池均衡器則可以輕松應(yīng)對(duì)。
均衡電流越大,對(duì)小容量電池的過(guò)充、過(guò)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。
高速放電均衡實(shí)例
高速放電均衡最主要的作用是對(duì)大容量電池進(jìn)行放電電流分流,彌補(bǔ)小容量電池放電能力的不足,下面通過(guò)一組容量非常懸殊的電池組的均衡充放電實(shí)例及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,由于電池容量差異巨大,因此,在大電流均衡充放電情況下,兩塊電池的的實(shí)際充放電電流差異非常大,差異非常明顯。
圖1所示的為實(shí)驗(yàn)裝置電池組,18650電池(B1電池)的容量只有1Ah,藍(lán)色方形電池(B2電池)的容量高達(dá)11Ah,容量差高達(dá)10Ah,相差10倍,當(dāng)前總放電電流5A,鉗形電流表下面的裝置是本文所述高效大功率均衡器樣機(jī),采用的是獨(dú)創(chuàng)的“雙向同步整流技術(shù)”(見(jiàn)附件“影響電池均衡電流和均衡效率的瓶頸及解決方案——雙向同步整流技術(shù)”),在均衡器的介入下,均衡電流則高達(dá)9.08A(存在測(cè)量誤差,下同),如圖1所示;方形鋰電池的實(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)大均衡電流的作用下,最大電壓差只有0.11V,至放電結(jié)束,兩塊電池的電量全部放完,并且18650電池的放電電壓仍在安全電壓值以?xún)?nèi)。
高速充電均衡實(shí)例
這種電池均衡技術(shù),不僅支持高速放電均衡,而且支持高速充電均衡,仍以上述電池組為例,同樣以5A恒流充電至自動(dòng)切換恒壓充電期間,本應(yīng)通過(guò)B1電池的的5A電流,實(shí)測(cè)最大充電電流只有0.84A左右,如圖4所示;而B(niǎo)2電池的實(shí)測(cè)充電電流高達(dá)8.8A左右,如圖5所示;最大均衡電流實(shí)測(cè)高達(dá)7.97A左右,這一數(shù)值正好接近于兩塊電池的實(shí)際充電電流的差值,如圖6所示。
均衡充電期間,兩塊電池的電壓上升速度也基本相同,最大電壓差只有0.11V左右,B1電池的最高電壓也只有4.23V左右,始終處于安全電壓以?xún)?nèi),均衡器樣機(jī)在連續(xù)大電流均衡的情況下只有微量的溫升,這就是樣機(jī)采用ABS塑料機(jī)殼的原因。
結(jié)束語(yǔ)
電池組的實(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(shuō)明電池組的健康狀況越好,充電均衡技術(shù)只能讓電池組充滿(mǎn)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、最佳化,可以說(shuō),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。
作者簡(jiǎn)介
周寶林:男,1968年生,高級(jí)工程師,工程碩士,長(zhǎng)期從事電池均衡技術(shù)研究,擁有多項(xiàng)電池均衡技術(shù)專(zhuān)利。
（來(lái)源：《UPS應(yīng)用》雜志）
