充放電倍率對(duì)電池一致性衰減影響的研究與對(duì)策

周寶林，周全

（1. 大慶市交通運(yùn)輸局，黑龍江 大慶 163311；2. 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海車輛段，上海 200040）

1 充放電倍率對(duì)電池衰減的影響

各種文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，充放電倍率[1]對(duì)于鋰離子電池衰降速度具有極大的影響?？偟内厔?shì)和結(jié)論是，充放電倍率越大，電池衰減速度越快，如圖 1 所示。可見，合理地控制電池的充放電倍率是電池循環(huán)使用壽命的重要保證。

對(duì)于新裝配電池組，每塊電池的容量和電壓彼此接近，實(shí)際放電倍率和輸出功率基本相同，放電時(shí)所有電池共同做功且分配均等，所以電池組的功率輸出表現(xiàn)和續(xù)航時(shí)間最佳。但是，由于電池間的個(gè)體差異、工作環(huán)境溫度、充放電電流、過充過放等因素影響，經(jīng)過多次充放電循環(huán)后，個(gè)體間的差異會(huì)逐漸擴(kuò)大，主要表現(xiàn)在容量、電壓、內(nèi)阻、自放電率等地差異越來越大，使得電池個(gè)體間充放電倍率差異增大。由于衰減電池的實(shí)際剩余容量降低，其充放電倍率明顯增大，電池衰減越嚴(yán)重，實(shí)際充放電倍率就越大。

圖1 不同放電倍率的鋰離子蓄電池容量衰減

充放電倍率包括充電倍率和放電倍率。在實(shí)踐中，人們往往重視放電倍率，卻忽視了充電倍率。事實(shí)上，高充電倍率同樣是造成電池衰減和一致性問題的重要原因，可加劇電池的衰減。如果控制失敗，高倍率充電會(huì)使衰減電池（小容量電池）頻繁發(fā)生過充電，加速小容量電池的衰減，使有效容量進(jìn)一步減小，并形成惡性循環(huán)。惡性循環(huán)的最嚴(yán)重后果是充電時(shí)衰減電池溫度急劇升高，繼而可能引發(fā)電池組發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故（這種案例非常多）。此外，充電倍率差異過大還會(huì)使電池組的可用容量越來越小，導(dǎo)致低衰減或未衰減電池的容量無法得到有效利用。高倍率放電同樣加劇小容量電池的衰減，特別是放電期間，如果控制失敗，小容量電池會(huì)頻繁發(fā)生過放電，造成不可恢復(fù)性損傷。小容量電池在高倍率放電的情況下，衰減加速，并且放電倍率會(huì)隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加逐漸加大，溫度同樣會(huì)快速升高，進(jìn)一步加速小容量電池的衰減并進(jìn)入惡性循環(huán)。由此可見，控制小容量電池的充放電倍率，對(duì)于延長(zhǎng)電池組循環(huán)使用壽命是非常重要的。大量研究實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用表明，高倍率放電對(duì)于衰減電池組的傷害遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于裝配初期的電池組，就是因?yàn)樗p電池的充放電倍率明顯高于正常容量電池。當(dāng)充放電電流和截止電壓超過一定數(shù)值時(shí)，電池衰減加速，要降低電池的衰減速率，穩(wěn)定電池容量，就需要對(duì)衰減電池的充放電電流和截止電壓進(jìn)行自動(dòng)化控制。

2 解決充放電倍率差異方案

充放電倍率差異形成機(jī)理表明，小容量電池的充放電倍率逐漸上升與其容量不斷降低直接關(guān)聯(lián)，二者互相促進(jìn)，進(jìn)入惡性循環(huán)。通過圖 2 不難看出，高倍率充電和高倍率放電都會(huì)使電池衰減進(jìn)入惡性循環(huán)，同時(shí)也說明，降低衰減電池的充放電倍率，即降低充放電電流是解決電池快速衰減的關(guān)鍵?？茖W(xué)實(shí)踐證明，分流是最佳技術(shù)方案，完全可以在同一串聯(lián)電池組中，通過自動(dòng)化技術(shù)自動(dòng)提高大容量電池的充放電電流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低小容量電池的充放電電流，即均衡充放電技術(shù)。

圖2 高倍率充放電對(duì)電池衰減影響示意圖

3 等倍率均衡放電原理及實(shí)例

以圖 3 中均衡放電為例進(jìn)行說明，大容量電池乙（剩余 75 % 容量）除提供負(fù)載電流外，多釋放的電流通過均衡器轉(zhuǎn)換，輸送到小容量電池甲（剩余 30 % 容量）兩端，彌補(bǔ)小容量電池甲放電能力的不足。這一過程中，均衡器的轉(zhuǎn)換效率要高，以提高電能利用率，而且設(shè)備的溫升要較低，以減少溫升對(duì)電池組的影響。放電期間，電池乙多放電，提高放電倍率，相比之下，電池甲少放電，降低放電倍率。如果均衡器的均衡電流控制得當(dāng)，甲、乙兩電池就可以保持近似相同的放電倍率，實(shí)現(xiàn)等倍率均衡放電。

圖3 兩串電池組均衡放電原理圖

基于上述原理，下面結(jié)合具體實(shí)例和測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。實(shí)驗(yàn)電池及部分裝置如圖所示。圖 4 中實(shí)驗(yàn)電池組為 2 串鋰電池組，電池 B1（18650 型號(hào)，拆機(jī)電池）的實(shí)測(cè)最大容量約 1 Ah，電池 B2的實(shí)測(cè)容量約為 11 Ah。使用 2 塊萬用表測(cè)量電池的實(shí)時(shí)電壓，用鉗形表檢測(cè)電池 B1 的實(shí)際放電電流。在電池組以 3 A 恒流放電的情況下， 電池 B1的實(shí)際放電電流只有 0.53 A（存在測(cè)量誤差，下同），遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于總放電電流 3 A，不足的 2.47 A 全部通過雙向同步整流均衡器樣機(jī)[2]（圖中只使用 1個(gè)單元模塊，模塊最大支持 10 A 以上均衡電流）從電池 B2 獲得。由于電池 B2 的實(shí)際放電電流高達(dá) 5.76 A，2 塊電池的放電電流差值達(dá)到 5.23 A，非常接近均衡器樣機(jī)的實(shí)測(cè)均衡電流 5.27 A。限于篇幅，表 1 只列出了以 3 A、4 A 和 5 A 恒流放電時(shí)的相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出 2 塊電池在不同放電電流下的放電倍率。

圖4 均衡放電實(shí)驗(yàn)裝置圖

表1 兩串電池組放電電流、放電倍率及均衡電流對(duì)照表

表1 中數(shù)據(jù)顯示，在電池組分別以 3 A、4 A和 5 A 放電，并且在高效電池均衡器介入和干預(yù)的情況下，2 塊電池的放電倍率基本相同，電壓差也非常小，處于良好的均衡放電狀態(tài)。如果沒有電池均衡器的介入和干預(yù)，電池 B1 的放電倍率將分別達(dá)到 3C、4C和 5C，而對(duì)應(yīng)的電池 B2 放電倍率只有 0.27C、0.36C和 0.45C，兩者的放電倍率相差約10 倍， 電池 B1 將很快放電完畢，并迅速進(jìn)入過放電狀態(tài)，進(jìn)一步加劇衰減。均衡放電實(shí)驗(yàn)表明，均衡器的介入，對(duì)于控制不同容量的電池實(shí)行等倍率放電的作用是明顯的，小容量電池的實(shí)際放電電流低于大容量電池的實(shí)際放電電流，不僅有效預(yù)防小容量電池過放電，而且提高了大容量電池的容量利用率。

4 拓展實(shí)驗(yàn)及分析

在均衡放電期間及結(jié)束時(shí)，2 塊電池的電壓一直處于安全、平穩(wěn)狀態(tài)，表現(xiàn)出良好的均衡放電特征。電池 B1 未進(jìn)入放電截止電壓區(qū)間，即使在全程使用 5 A 恒流放電至放電結(jié)束的情況下，電池B1 也沒有出現(xiàn)溫度升高的情況。作為對(duì)照，對(duì)放電結(jié)束的電池組在保持均衡器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的情況下，以 5 A 電流恒流充電至自動(dòng)切換恒壓充電前。通過電池 B1 的充電電流本應(yīng)是 5 A，但實(shí)測(cè)最大充電電流只有 0.84 A 左右，折合成最大充電倍率約為 0.84C，而電池 B2 的實(shí)測(cè)充電電流高達(dá) 8.8 A 左右，折合成最大充電倍率約為 0.80C。考慮到測(cè)量誤差的影響，2 塊電池的充電倍率非常接近，電壓上升速度也基本相同，最大電壓差只有 0.11 V 左右， 電池 B1 的最高電壓也只有 4.23 V 左右，始終處于安全電壓以內(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。在轉(zhuǎn)入恒壓充電期間，隨著充電電流的減小，均衡電流和電壓差同步減小。當(dāng)將電池 B1 更換為較大容量的電池并且保持電池均衡器不變的情況下，在進(jìn)行相同的 3 A、4 A和 5 A 恒流充放電時(shí)， 電池 B1 的充放電流明顯增大，補(bǔ)充電流和分流電流明顯縮小，實(shí)測(cè) 2 種容量電池的充放電倍率仍基本相同。

均衡充放電實(shí)驗(yàn)表明，小容量電池實(shí)現(xiàn)了少充少放，大容量電池實(shí)現(xiàn)了多充多放，在進(jìn)行電流自動(dòng)分流的同時(shí)，既保證了電池電壓的相對(duì)穩(wěn)定，也適時(shí)調(diào)整了電池的容量和 SOC[3],不同容量電池實(shí)現(xiàn)了近似等倍率充放電，對(duì)于防控小容量電池的過充電和過放電，以及提高大容量電池的容量利用率效果顯著。

電池組的一致性問題是客觀存在的，只是差異程度不同而已，使用期間差異逐漸加重。如果從一開始出現(xiàn)一致性變差的跡象就通過主動(dòng)均衡予以干預(yù)，那么一致性問題的發(fā)生就會(huì)明顯延后，甚至不會(huì)發(fā)生或表現(xiàn)出明顯的一致性問題。通過各種對(duì)照實(shí)驗(yàn)，具有實(shí)時(shí)均衡功能的轉(zhuǎn)移式動(dòng)態(tài)電池均衡技術(shù)在控制電池充放電倍率方面的表現(xiàn)非常理想。當(dāng)電池出現(xiàn)不一致情況時(shí)，自動(dòng)實(shí)時(shí)進(jìn)行小電流均衡，充放電后期或者劇烈電流波動(dòng)導(dǎo)致電池間電壓差拉大時(shí)，均衡電流同步自動(dòng)加大，自動(dòng)降低小容量電池充放電電流和充放電倍率，不僅主動(dòng)預(yù)防了小容量電池的過充電和過放電問題，還提高了大容量電池的容量利用率，消除“木桶效應(yīng)”帶來的容量短板問題，保證電池組的充放電容量穩(wěn)定。

5 展望

為便于闡述，本文只提供了 2 串鋰電池組等倍率均衡放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，鑒于實(shí)驗(yàn)電池均衡器的工作原理，適合于任意串聯(lián)電池組，包括單體 2 V 的各種電池組，主動(dòng)調(diào)節(jié)多串電池組中不同容量電池的充放電倍率的原理是相同的。高效大功率電池均衡器的介入和干預(yù)，不僅實(shí)現(xiàn)了不同容量電池的等倍率充放電，而且能夠顯著降低小容量電池的工作溫升和衰減速度，對(duì)于預(yù)防電池衰減引起的電池?zé)崾Э?，提高電池組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行效果明顯，特別是對(duì)于大功率動(dòng)力電池組以及大規(guī)模梯次電池的二次利用具有重要意義。