轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)在蓄電池組中的應(yīng)用

周寶林，賴寶洪，周全（. 大慶市交通運(yùn)輸局，黑龍江 大慶 6；. 湖南豐日電源電氣股份有限公司，湖南瀏陽(yáng) 40；. 蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 70070）

轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)在蓄電池組中的應(yīng)用

周寶林1，賴寶洪2，周全3
（1. 大慶市交通運(yùn)輸局，黑龍江 大慶 163311；2. 湖南豐日電源電氣股份有限公司，湖南瀏陽(yáng) 410331；3. 蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

成組使用的蓄電池在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)容量衰減不一致、開路電壓差加大、放電終止電壓差更大的問(wèn)題，提前到達(dá)保護(hù)電壓而失效。生產(chǎn)技術(shù)的一致性差是蓄電池組產(chǎn)生差異性衰減的內(nèi)因，相對(duì)的過(guò)充電和過(guò)放電是電池差異性衰減的主要外因。目前的電池管理技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)和定位落后電池，但對(duì)延緩或減輕電池的進(jìn)一步落后無(wú)法從根本上解決問(wèn)題，轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)運(yùn)用自動(dòng)可變脈沖技術(shù)和差異化電流技術(shù)對(duì)電池的電壓和電流進(jìn)行科學(xué)、合理的均衡調(diào)節(jié)，控制和消除電池落后的外因，防止熱失控。本文通過(guò)該技術(shù)樣機(jī)在一組單體 2 V 待檢修蓄電池組上的應(yīng)用來(lái)說(shuō)明這項(xiàng)技術(shù)對(duì)改善電池一致性的作用。

電池均衡；蓄電池組；熱失控；一致性；自動(dòng)可變脈沖；差異化電流

1　蓄電池衰減成因及特征

蓄電池以其容量大、內(nèi)阻小、能夠反復(fù)充放電而深受用戶青睞［1］。但是隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加和環(huán)境溫度的變化，電池組個(gè)體電池的容量會(huì)發(fā)生不同速度和程度的衰減，影響較大的因素主要包括充放電電流、電壓和環(huán)境溫度［2］。

落后電池如果充放電電流過(guò)大，容易使電池過(guò)熱，溫度升高，電池電化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈；充電電壓過(guò)高，容易使電池過(guò)充電，造成失水；放電時(shí)，落后電池的放電電壓過(guò)低，容易使個(gè)體電池過(guò)放電：這些因素會(huì)加速個(gè)體電池容量衰減，造成整組電池放電終止。

落后個(gè)體電池容量衰減后會(huì)表現(xiàn)出明顯特征：一是電池的充放電電壓變化異常。充電期間，電壓上升速度快；放電期間，電壓下降速度快。二是電池的有效放電時(shí)間縮短，在負(fù)載不變的情況下，放電時(shí)間逐次縮短，衰減越嚴(yán)重，整組電池有效放電時(shí)間就越短。

2　減緩蓄電池衰減速度的有效方法

電池差異性衰減包括內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。內(nèi)因是電池本身固有的，主要與電池的生產(chǎn)制造工藝的一致性水平有關(guān)，電池一旦封裝完畢，導(dǎo)致容量差異衰減的內(nèi)因就基本固定了。電池使用期間，環(huán)境溫度、散熱環(huán)境以及充放電電壓和電流對(duì)電池的容量差異性衰減影響最大，是電池差異性衰減的主要外因，其中電池的充放電電壓和充放電電流是最重要的因素，直接引發(fā)電池的過(guò)充電、過(guò)放電和溫度升高，加速落后電池衰減。電池充放電衰減成因如圖1 所示意。各種應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)有效措施控制電池過(guò)充電和過(guò)放電問(wèn)題的發(fā)生，能非常有效地減緩整組蓄電池差異性衰減的速度。

3　電池均衡技術(shù)對(duì)電池電壓的影響

任何一種蓄電池都有一個(gè)合理的電壓范圍。最低電壓為放電截止電壓，最高電壓為充電限制電壓。當(dāng)電池電壓低于放電截止電壓仍繼續(xù)放電時(shí)，電池便進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)，加速電池容量衰減，并且易發(fā)生過(guò)放電損壞；相反，當(dāng)電池的電壓高于充電限制電壓仍繼續(xù)充電時(shí)，電池便進(jìn)入過(guò)充電狀態(tài)，加速電池容量衰減，并且易發(fā)生過(guò)充電損壞。因此，安全使用蓄電池的基本要求是電池電壓應(yīng)控制在兩個(gè)極限電壓之間，防止蓄電池發(fā)生過(guò)充電或過(guò)放電的極端。對(duì)于使用單體蓄電池的設(shè)備，配備合適的電池充放電控制設(shè)備即可，典型應(yīng)用是鋰電池保護(hù)板，能有效防止鋰電池過(guò)充電和過(guò)放電，從而達(dá)到減緩電池衰減的目的。

相比之下，串聯(lián)電池組中各單體電池的保護(hù)就相對(duì)復(fù)雜得多，采用每只電池都加裝電池保護(hù)板的方法不再適用。特別是對(duì)于大容量電池組，由于充放電電流都比較大，保護(hù)板難以承受大電流的沖擊，另外各單體電池間存在差異，電壓升降速度差異較大，保護(hù)板的存在和保護(hù)性啟動(dòng)還會(huì)使電池組的充放電電流時(shí)斷時(shí)續(xù)，電池組無(wú)法正常使用。最有效的方法是加裝電池均衡技術(shù)裝置，通過(guò)電池均衡裝置自動(dòng)強(qiáng)制所有電池的電壓趨于一致，控制落后電池的發(fā)展。

電池均衡技術(shù)分主動(dòng)均衡技術(shù)和被動(dòng)均衡技術(shù)。被動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)電阻放電進(jìn)行均衡，發(fā)熱量高，效率為零，只適用于對(duì)中小容量電池組做充電均衡，無(wú)法解決衰減電池過(guò)放電問(wèn)題。被動(dòng)均衡技術(shù)對(duì)充電電流要求很高，如果充電電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被動(dòng)均衡電流，被動(dòng)均衡的實(shí)際效果就會(huì)大打折扣，過(guò)充電問(wèn)題依舊。另外，當(dāng)充電均衡啟動(dòng)時(shí)，落后電池與正常容量電池的電壓差可能會(huì)很大。而主動(dòng)均衡技術(shù)裝置自主識(shí)別組內(nèi)各電池的電壓狀態(tài)，通過(guò)換能器件將高電壓電池的電能轉(zhuǎn)移輸送到低電壓電池，主動(dòng)降低電池間的電壓差，實(shí)現(xiàn)電池電壓的一致或相近，從而控制了落后電池過(guò)充電或過(guò)放電問(wèn)題的發(fā)生，而且發(fā)熱量低，效率高。

轉(zhuǎn)移式電池均衡器［3］采用自動(dòng)可變脈沖技術(shù)和差異電流技術(shù)對(duì)電池進(jìn)行自動(dòng)均衡，同時(shí)解決了電壓均衡［4］、SOC 均衡和容量均衡的問(wèn)題，能有效減慢落后電池的進(jìn)一步衰減。這項(xiàng)技術(shù)使不平衡電池組中每只電池的充放電電流不再相同，根據(jù)電池的電壓差實(shí)行智能差異化管理，而且安裝和使用非常簡(jiǎn)單，只需并聯(lián)在電池組的相應(yīng)連接點(diǎn)上即可，對(duì)原電池組電路結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何改變和影響。充電期間，容量小的電池電壓高，轉(zhuǎn)移式電池均衡器會(huì)對(duì)其自動(dòng)減小充電電流，而容量大的電池電壓低，則對(duì)其自動(dòng)增大充電電流，使所有電池的電壓同步上升，即充電期間對(duì)差異化衰減電池減小充電電流，防止其過(guò)充電；放電期間，容量小的電池電壓低，轉(zhuǎn)移式電池均衡器對(duì)其自動(dòng)減小放電電流，容量大的電池電壓高，對(duì)其自動(dòng)增大放電電流，使所有電池的電壓同步下降，即放電期間對(duì)差異化衰減電池減小放電電流，防止其過(guò)放電；在電池的充放電恢復(fù)期和靜止期，通過(guò)檢測(cè)各相鄰電池的電壓差進(jìn)行智能電壓均衡和 SOC 均衡，其特殊的脈沖電流對(duì)衰減電池具有保養(yǎng)和修復(fù)作用。

在均衡器作用下，電池組中“落后”電池雖然仍處于“落后”狀態(tài)，但其充放電電流低于整組電池的充放電電流，均衡器自行識(shí)別相鄰電池電壓差的方向和大小，并自動(dòng)調(diào)整差異電流，使實(shí)際充放電電流智能減小，降低“落后”電池發(fā)生過(guò)放電或過(guò)充電危險(xiǎn)的概率，降低電池組中落后電池的衰減速度，延長(zhǎng)電池組的使用壽命。圖2 中以兩只差異化衰減的電池為例對(duì)均衡放電進(jìn)行了示意。電池?cái)?shù)量多于兩只時(shí)，只需對(duì)均衡器進(jìn)行級(jí)聯(lián)即可，級(jí)聯(lián)圖略。圖2 中，假設(shè)電池 B2 容量衰減，箭頭的方向表示電流方向，箭頭的粗細(xì)表示電流的大小。I0為電池組的放電電流，電池 B2 的放電電流 IB2很小，低于 I0，不足部分由均衡器提供，IB1為電池B1 的放電電流，大于 I0，多出的部分（IB1-I0）通過(guò)均衡器形成均衡電流彌補(bǔ)電池 B2 放電電流的不足，降低電池 B2 的電壓下降速度，實(shí)現(xiàn)電池 B1 和 B2 的均衡放電。更多均衡示意圖及原理請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)［5］。

4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在單體 2 V 電池組中的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行進(jìn)一步闡述。

實(shí)驗(yàn)電池組選取客戶使用僅一年時(shí)間就因放電時(shí)間過(guò)短返廠待檢修的 2 V 170 Ah 電池，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單篩選，剔除外殼膨脹、完全失效的電池（約占1/4），選擇 24 只重新構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)串聯(lián)電池組，并按著連接順序依次對(duì)電池編號(hào)。其它實(shí)驗(yàn)器材及工具包括充放電一體機(jī)、數(shù)字電壓表、數(shù)字鉗表以及轉(zhuǎn)移式電池均衡器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

充電標(biāo)準(zhǔn)：最大充電電流 17 A，限壓 56.4 V （2.35 V×24）充電，充滿電后自動(dòng)停機(jī)；放電標(biāo)準(zhǔn)：恒流放電，電流為 17 A，整組放電至電壓為43.2 V（1.8 V×24）自動(dòng)停止放電。

4.1充放電實(shí)驗(yàn)

4.1.1電池均衡對(duì)電池電壓的影響

實(shí)驗(yàn)步驟：電池組首次充放電，未連接均衡器樣機(jī)，記錄充滿電靜置 2 h 后的電壓和放電結(jié)束時(shí)電壓；首次均衡充電時(shí)連接電池均衡器樣機(jī)，放電時(shí)取下均衡器樣機(jī)，記錄對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)；放電結(jié)束后直接進(jìn)行第二次均衡充電、均衡放電（當(dāng)日溫度不足10 ℃）。全部對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)見表1。從表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，電池均衡器明顯縮小了電池間的電壓差，有效地改善了電池的一致性，提高了整組電池的放電能力。

4.1.2電池均衡對(duì)電池充放電流的影響

在電池組恒流限壓充電和恒流放電期間，通過(guò)數(shù)字電壓表和數(shù)字鉗表對(duì)每只電池的電壓和充放電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。恒流充電期間，電壓相對(duì)較低的電池的充電電流明顯高于平均充電電流，監(jiān)測(cè)最大充電電流達(dá)到 20 A 左右，電壓相對(duì)較高的電池的充電電流明顯低于平均充電電流，監(jiān)測(cè)最小充電電流在14 A 左右。在充電電流自動(dòng)調(diào)解下，有效地提高了電池的充電效率和充電質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了電池的按需充電，因此大容量電池能夠充滿，小容量電池不被過(guò)充，有效充電量增加。充電期間，沒(méi)有發(fā)生小容量電池過(guò)充電的情況。恒流放電期間，容量較高的電池的放電電流明顯高于平均放電電流，監(jiān)測(cè)最大放電電流達(dá)到 20.6 A；容量較低的電池的放電電流明顯低于平均放電電流，監(jiān)測(cè)最小的放電電流只有12.9 A。小容量電池的放電時(shí)間有效地延長(zhǎng)了，大容量電池的電量得到有效釋放。

4.1.3電池均衡對(duì)電池組放電時(shí)間和容量的影響

據(jù)用戶反映，電池返廠主要是由于電池放電時(shí)間衰減嚴(yán)重，放電時(shí)間非常短，甚至不足 1 h。實(shí)驗(yàn)用電池返廠已多日，首次充電后有效放電時(shí)間約為 3 h 52 min，計(jì)算實(shí)際放電容量約為 65.7 Ah。除3#電池發(fā)生了極性反轉(zhuǎn)外，大部分電池的電壓都在 1.9 V 以上，電量沒(méi)有完全釋放，其中 5 只電池的電壓在 2 V 以上，剩余電量較多。

第二次實(shí)驗(yàn)，充電期間接入均衡器樣機(jī)，放電時(shí)去掉均衡器。有效放電時(shí)間達(dá)到 5 h 36 min，有效放電時(shí)間延長(zhǎng)了 45 %，計(jì)算實(shí)際放電容量約為95.2 Ah。3# 電池性能得到明顯改善，直至放電結(jié)束都沒(méi)有發(fā)生過(guò)放電情況。電池組中沒(méi)有電壓高于2 V 的電池。

第三次實(shí)驗(yàn)，充電和放電期間全程連接電池均衡器。電池組的充放電性能進(jìn)一步改善，充電結(jié)束時(shí)電壓更加均衡，放電期間電壓變得更加均衡，放電時(shí)間超過(guò) 5 h。

4.2電池均衡對(duì)落后電池的影響

通過(guò)三組對(duì)照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，在相同的充放電條件下，借助電池均衡器，落后電池的電化學(xué)性能被不同程度恢復(fù)。5 只落后嚴(yán)重的電池（3#、6#、7#、12# 和 21#）經(jīng)過(guò)兩次充放電循環(huán)后，除12# 電池外，其余 4 只電池都達(dá)到了同等放電時(shí)間并且處于安全電壓，放電容量和放電能力得到明顯提升，有效放電時(shí)間明顯延長(zhǎng)。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，電池均衡器樣機(jī)對(duì)電池組電壓、容量的均衡作用快速、高效。充電均衡階段結(jié)束后的電壓差非常小，達(dá)到理想狀態(tài)。試驗(yàn)期間，采用 ABS 塑料外殼的試驗(yàn)樣機(jī)，在接近最大功率連續(xù)均衡的情況下，外殼溫度只是溫?zé)帷?/p>

4.3均衡充放電拓展實(shí)驗(yàn)

在第 4.2 節(jié)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，連續(xù)進(jìn)行了多次循環(huán)均衡充放電實(shí)驗(yàn)，增加了電池組的充放電恢復(fù)期和靜止期，均衡器特殊的脈沖技術(shù)有效地改善了落后電池的電化學(xué)性能，提高了容量，改善了電池的一致性，衰減電池的容量和有效放電時(shí)間都有不同程度的提高。

5　結(jié)論

蓄電池發(fā)生差異化衰減后，會(huì)使電池組內(nèi)電池表現(xiàn)出明顯的不一致性，引發(fā)落后電池發(fā)生過(guò)充電和過(guò)放電的概率增大，對(duì)于鉛酸蓄電池，加速失水和硫化，甚至引發(fā)熱失控問(wèn)題，直接影響電池組使用壽命和運(yùn)行安全。轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)的引入明顯地改善了落后蓄電池的電流和電壓工作狀態(tài)，控制了引起電池差異化衰減主要因素中過(guò)充電和過(guò)放電問(wèn)題的發(fā)生，有效改善了電池組內(nèi)電池的一致性，對(duì)控制電池?zé)崾Э鼐哂兄匾饬x，對(duì)落后蓄電池具有很好的保養(yǎng)和部分修復(fù)作用，提高了整組電池的放電能力和安全性，降低了電池組運(yùn)行成本，延長(zhǎng)了電池組的使用壽命。

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

［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.

［3］ 周寶林， 周全. 2 V 鉛酸蓄電池均衡器: 201520061849.X［P］.

［4］ 周寶林， 周全. 轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對(duì)蓄電池組電壓與荷電量影響的研究［J］. 蓄電池， 2015，52（3）: 123-125.

［5］ 周寶林， 周全. 轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)研究與應(yīng)用［J］. 電池工業(yè)， 2014（5/6）: 58-62.

The application of transfer type battery equalization technology in the storage batteries

ZHOU Baolin1， LAI Baohong2， ZHOU Quan3
（1. Daqing Transport Department， Daqing Heilongjiang 163311； 2. Hunan Fengri Power & Electric Co.， Ltd.， Liuyang Huna 410331； 3. Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou Gansu 730070， China）

The problems of inconsistent capacity decay， increased open circuit voltage difference and higher discharge termination voltage difference will occur after the battery cells are used for a period of time. Then the cells will fail early due to reaching the protecting voltage. The bad consistency of production technology is the internal cause of differentiated capacity decay of the batteries， and the relative overcharge and over-discharge are the main external causes. The “weak” cells can be found and located over the current battery management technologies， but won’t address the root of the problems. By transfer type battery equalization technology based on automatic variable pulse technology and differential current technology， the voltages and currents of cells can be equalized and adjusted scientifically and reasonably， the external causes of “weak” cells can be controlled and eliminated， and the thermal runaway can be avoided. In this paper， the role of the transfer type battery equalization technology to improve the consistency of cells is illustrated by the application of the prototype in a battery of2 V cells waiting for repair.

battery equalization； storage battery； thermal runaway； consistency； automatic variable pulse； differential current

TM 912.9

B

1006-0847（2016）04-196-05

2016-04-21