轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對(duì)電池電壓與荷電量影響的研究

周寶林，周 全（. 大慶市交通運(yùn)輸局，黑龍江 大慶 633；. 蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對(duì)電池電壓與荷電量影響的研究

周寶林1，周 全2
（1. 大慶市交通運(yùn)輸局，黑龍江 大慶 163311；2. 蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

摘要：電池組中各單只電池的電壓和荷電量在反復(fù)充放電過程中時(shí)刻發(fā)生變化，逐漸呈不均衡狀態(tài)，并且隨充放電次數(shù)的增加而加重，“落后”電池愈加落后，直至過充電或過放電損壞，嚴(yán)重影響整個(gè)電池組的正常蓄電和放電。轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)通過脈沖技術(shù)和均衡機(jī)理主動(dòng)均衡各單只電池的電壓和荷電量，使每只電池的電壓和荷電量始終處于最佳均衡狀態(tài)，有效延長電池組的使用壽命。

關(guān)鍵詞：電池；均衡；電壓；荷電量；轉(zhuǎn)移式

1　電壓與荷電量差異對(duì)電池組的影響

電池成組后的初期，電池的電壓、荷電量基本相同，但由于電池的內(nèi)阻、自放電率、制造工藝、環(huán)境溫度等原因，經(jīng)過若干次的充放電循環(huán)后，每只電池的電壓和荷電量都會(huì)發(fā)生變化，并呈積累效應(yīng)，差異會(huì)越來越大，這樣在一個(gè)電池組內(nèi)，不僅各電池之間的電壓相差較多，荷電量也同樣存在差異，形成了一個(gè)電壓和荷電量不均衡的狀態(tài)，并且電壓差異越大，其荷電量差異就越大。

大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)電池組的電壓達(dá)到放電保護(hù)電壓被系統(tǒng)進(jìn)行放電保護(hù)后，并非組內(nèi)所有電池都達(dá)到放電保護(hù)電壓，而是個(gè)別電池過放電，電壓過低，并將整組電池電壓拉低，從而導(dǎo)致電池組放電保護(hù)，實(shí)際上，當(dāng)電池組發(fā)生放電保護(hù)時(shí)，多數(shù)電池仍具有一定的安全放電電壓和有效荷電量沒有完全釋放出來，這些沒有被完全釋放的電量如果能夠有效釋放就可以延長電池組的放電時(shí)間。

同樣，電池組充電也存在類似的問題，內(nèi)阻大的電池最先達(dá)到充電限制電壓，但整組電池并未達(dá)到充電限制電壓，充電過程會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，首先是內(nèi)阻大的電池被過充電而受損，在充電設(shè)備顯示充足電的情況下，會(huì)發(fā)生內(nèi)阻大的電池被過充電損壞，其它電池均未充足電，電壓和荷電量各不相同，整組電池只接受到少量的電量，這種情況視電池組的成組時(shí)間而不同，時(shí)間越短，電池狀態(tài)越好，接受的電量越多；時(shí)間越長，電池狀態(tài)越差，接受的電量越少。

當(dāng)電池組內(nèi)各電池的電壓和荷電量差異較大時(shí)，電池組接受電能的能力取決于有效荷電量最小即質(zhì)量最差的電池，因此蓄電能力很差，只能接受少量的電能，電池放電時(shí)，由于存在化學(xué)能轉(zhuǎn)換損耗和內(nèi)阻引起的熱能損耗，實(shí)際可釋放的電能會(huì)減少，低于接受的電能，隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增多，可接受或釋放的電能進(jìn)一步減少，電池組就失去了應(yīng)有的作用。這類電池組，最明顯的電氣特征是組內(nèi)電池的在線電壓參差不齊，相互之間的電壓差較大，最直觀的現(xiàn)象是充電時(shí)間變短，接上充電器后很短時(shí)間就提示充滿電，放電時(shí)間縮短，很快就放完電，導(dǎo)致待機(jī)時(shí)間縮短。

2　轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)機(jī)理及特點(diǎn)

電池組不均衡問題的產(chǎn)生和擴(kuò)大不是突變的，而是漸變式的，如果能進(jìn)行有效控制，電池不均衡引發(fā)的問題就會(huì)降到最低。

根據(jù)電池的化學(xué)性質(zhì)[1]，如果通過維護(hù)工作經(jīng)常保持電池具有良好的電壓差，減少或不發(fā)生個(gè)別電池過充電或過放電的極端問題，電池組就會(huì)在良好的狀態(tài)下工作，滿足蓄電和放電要求。

鑒于蓄電池特殊的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)人工實(shí)時(shí)維護(hù)不現(xiàn)實(shí)[2]，也做不到，最理想的解決方案是在電池外部加裝一套自動(dòng)控制裝置，實(shí)時(shí)自動(dòng)控制組內(nèi)各電池的電壓差在合理范圍內(nèi)。

獲得中國專利的轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)依托現(xiàn)代電子技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)采用動(dòng)態(tài)可變脈沖技術(shù)從電壓高的電池分流一部分電量經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸送到電壓相對(duì)較低的相鄰電池中，提升低電壓電池的電壓和荷電量，主動(dòng)控制相鄰電池的電壓差始終處于最小[3-7]。該技術(shù)采用差值電流技術(shù)進(jìn)行均衡，使電池組內(nèi)每一只電池的充放電流都不相同，通過差異化電流對(duì)各單體電池的電壓和荷電量進(jìn)行均衡，縮小電池間的差異，充電期間，主動(dòng)對(duì)電壓較高的電池減小充電電流，對(duì)電壓較低的電池增大充電電流，實(shí)行均衡充電；放電期間，主動(dòng)對(duì)電壓較高、荷電量較大的電池增大放電電流，對(duì)電壓較低、荷電量較小的電池減小放電電流，實(shí)行均衡放電。

由于均衡電流是脈沖電流，對(duì)電池的保養(yǎng)和維護(hù)具有積極作用。對(duì)于荷電量減小的電池，在均衡脈沖電流作用下，荷電量會(huì)逐漸上升和最大程度恢復(fù)，并與電壓同步上升和下降，從而可以接受和釋放更多的電量。

在電池靜止和充放電恢復(fù)期，自動(dòng)對(duì)差異電池進(jìn)行電壓均衡，提高均衡效率。以鉛酸蓄電池組為例，當(dāng)電池組發(fā)生了較為嚴(yán)重的不均衡問題后，電池的內(nèi)阻和硫化問題會(huì)不同程度地發(fā)生變化，直接體現(xiàn)在電池的端電壓上。

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)的引入能迅速均衡電池組的差異電池，主動(dòng)使各電池的電壓差最小化，實(shí)現(xiàn)電池的均衡充電和均衡放電，不僅均衡電池電壓也均衡電池的荷電量，實(shí)現(xiàn)電池組蓄電和放電功能的最佳發(fā)揮。

3　對(duì)照實(shí)驗(yàn)及分析

實(shí)驗(yàn)選取已經(jīng)使用半年左右，被用戶進(jìn)行容量升級(jí)替換下來的兩只 12 V 電動(dòng)車用鉛酸蓄電池，外觀良好，標(biāo)稱容量都是 14 Ah，全部重新充滿電，通過 10 倍率恒流放電容量測(cè)試，兩只電池的實(shí)際容量分別為甲電池 7 Ah 和乙電池 10 Ah，實(shí)際容量表明，甲電池容量衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致車輛行駛里程明顯縮短。由于甲電池的容量只有 7 Ah，同時(shí)兼顧乙電池，決定采用 0.8 A 恒流放電，總放電終止電壓設(shè)定為 22.0 V，其中單電池的安全放電終止電壓為 11.0 V。

第一組實(shí)驗(yàn)：直接串聯(lián)放電，放電前開路電壓分別為甲電池 12.77 V 和乙電池 12.80 V，當(dāng)放電總電壓降低到 22.0 V 時(shí)停止放電，實(shí)際放電時(shí)間約7.2 h，此時(shí)甲電池的電壓僅為 10.06 V，已經(jīng)處于過放電狀態(tài)，乙電池電壓為 11.96 V，仍具有較高的電壓和荷電量，還有不少電量沒有釋放出來，兩只電池的電壓差達(dá)到 1.9 V 之多，見圖 1。

圖1　電池組常規(guī)放電曲線

圖1 數(shù)據(jù)表明，放電開始時(shí)，甲、乙電池的電壓和荷電狀態(tài)基本是相同的，但是由于實(shí)際容量不同，內(nèi)阻也不相同，隨著放電的進(jìn)行，兩只電池的電壓差異和荷電狀態(tài)差異逐漸擴(kuò)大，放電 7 h 左右時(shí)，容量小的甲電池放電完畢，而容量大的乙電池還剩余約一半的容量，荷電量差異明顯。

第二組實(shí)驗(yàn)：對(duì)第一組實(shí)驗(yàn)的兩只電池使用專用充電器分別重新充滿電，靜止 12 h 后，測(cè)量電壓分別是甲電池 12.78 V 和乙電池 12.80 V，放電條件不變，唯一的區(qū)別是加入均衡器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。放電總電壓到 22.0 V 停止放電，實(shí)際放電時(shí)間 10.2 h，比第一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)整整多了 3 h，增加了約 42 % 的放電時(shí)間。此時(shí)甲、乙電池的電壓均在 11.0 V 左右，均為安全電壓，沒有過放電現(xiàn)象，見圖 2。

從圖 2 放電時(shí)間上看，甲電池有效放電時(shí)間延長了，似乎容量變大了，根本原因是均衡器的接入改變和調(diào)整了甲、乙電池的放電電流。盡管兩只電池的容量差異很大，但是由于均衡器的作用，放電期間，電池的電壓差異最大也沒有超過 90 mV。甲電池沒有過放電，乙電池的電量全部釋放完畢，實(shí)現(xiàn)了均衡放電，乙電池的電壓始終比甲電池高，連續(xù)不斷地為甲電池補(bǔ)充電能，補(bǔ)充的電能降低了甲電池的放電電流，彌補(bǔ)了甲電池放電能力的不足，從而延長了甲電池放電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了容量大的電池多放電，容量小的電池少放電的均衡放電設(shè)計(jì)理念，這種差異化電流控制是在放電期間連續(xù)進(jìn)行的，以此獲得最佳均衡效果。

圖2 中均衡放電曲線鮮明地顯示兩只電池的電壓差異自始至終都非常小，曲線幾乎重疊，電池間的電壓差異越小，其荷電狀態(tài)的差異也越小，這種同步差異變化是隨著放電的進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)表現(xiàn)出優(yōu)異的均衡功能，即使具有不同荷電量的電池串聯(lián)在一起使用，如果均衡電流合適就可以實(shí)現(xiàn)均衡放電，有效避免或降低低容量電池的過放電風(fēng)險(xiǎn)。

圖2　電池組在均衡器作用下放電曲線

4　結(jié)論

通常情況下，對(duì)于單體電池存在明顯差異的電池組，同時(shí)會(huì)存在電壓與荷電量差異的問題。轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了電壓的均衡，也實(shí)現(xiàn)了荷電量的均衡，對(duì)于電壓和荷電量存在嚴(yán)重差異的電池組具有非常明顯的積極作用，在發(fā)生嚴(yán)重電壓差異和荷電量差異的情況下，對(duì)于“落后”的電池，如果電池自身沒有發(fā)生物理損壞，如極板變形、內(nèi)部短路、局部單元膨脹，都

會(huì)有很好的修復(fù)效果，電壓和荷電量都能得到最大限度的恢復(fù)，即能有效保護(hù)“落后”電池，又明顯延長電池組的有效放電時(shí)間和使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程新群.化學(xué)電源[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008: 139-178.

[2] 陳紅雨, 黃鎮(zhèn)澤, 鄭圣全, 李中奇. 鉛酸蓄電池分析與檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2011:168-177.

[3] 周寶林. 能量轉(zhuǎn)移式電池均衡器: 中國, 201120155582.1[P]. 2012-10-31.

[4] 周寶林. 電量轉(zhuǎn)移式電池均衡器: 中國, 201220153997.0[P]. 2013-03-20.

[5] 沈志勤. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2006: 129-141.

[6] 郭林, 姬羅權(quán). 電路分析[M]. 北京: 人民郵電出版社，2010: 89-92

[7] 胡斌, 胡松. 電子元器件知識(shí)與典型應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013:147-149.

Research on the infl uence of transfer type battery equalization technology on the battery voltage and charged capacity

ZHOU Bao-lin1, ZHOU Quan2

(1. Daqing Transport Bureau, Daqing Heilongjiang 163311;
2. Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou Gansu 730070, China)

Abstract:The voltage and charged capacity of each single battery in the battery pack change constantly and are unbalanced in the process of charging and discharging, and the situation gets more and more worse with the increase in charging and discharging cycle, and the “weak” batteries in the battery pack become weak even harder as the running process continues and bring the battery pack in an overcharged or overdischarged state seriously affecting the normal energy storage and discharge of the whole battery pack. Transfer type battery equalization technology can keep the voltage and charged capacity of each battery being in the best state of equilibrium by using the pulse technique and the equilibrium mechanism to actively equalize each single battery voltage and charged capacity, thus prolonging the service life of the battery group.

Key words:battery; equalization; voltage; charged capacity; transfer type

中圖分類號(hào)：TM 912.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1006-0847(2015)03-123-03

收稿日期：2014-12-11