鉅大LARGE | 點擊量：1091次 | 2019年06月11日
鋰電池大規(guī)模梯次利用
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一致性問題
電池成組并使用一段時間后，會發(fā)生很多異常變化和現(xiàn)象，俗稱一致性問題，典型表現(xiàn)為：一是電壓變化，組內(nèi)電池的電壓在充電和放電期間總是存在個別單元電池電壓出現(xiàn)過高和過低的問題，充電時電壓快速上升，帶負(fù)載時電壓快速下降，斷開負(fù)載時，電壓有快速反彈，恢復(fù)正常；
二是充放電時間變化，充電時很快就提示充滿電，放電時電量很快就放完，持續(xù)時間大幅度縮短，無論是充電時間還是放電時間都遠遠低于使用初期；三是充放電容量變化，無論是充電計量容量還是放電容量都遠遠低于使用初期；
四是帶負(fù)載能力變化，同樣的負(fù)載，特別是感性負(fù)載，如電機，動力性能快速下降；五是電池溫升變化，充電和放電期間，個別電池的溫升過大；六是電池外形發(fā)生明顯變化，個別電池的外廓尺寸發(fā)生明顯變化，特別是方形電池，突起現(xiàn)象明顯（內(nèi)部壓力過大所致）。上述任意現(xiàn)象都表明，電池組發(fā)生了典型的一致性問題。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電池組一致性差異管理難題由來已久，長期以來，一直困擾著廣大用戶和技術(shù)管理人員，難以有效解決，其產(chǎn)生原因是多方面的，既包括電池組自身的原因，也與電池的生產(chǎn)工藝、品控和配組有關(guān)，簡稱稱內(nèi)因；也包括使用期間的外界因素，如溫度、充放電流、充放電壓、充放倍率等，簡稱外因。大量檢測數(shù)據(jù)表明，外因是導(dǎo)致電池組一致性快速劣化的最主要原因。
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為什么要梯次利用
當(dāng)電池組發(fā)生一致性差異問題并嚴(yán)重影響使用的情況下，由于技術(shù)的缺乏和難以操作，用戶通常選擇更換電池組的方式繼續(xù)保證設(shè)備正常使用。然而，大量的檢測和統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電池組發(fā)生嚴(yán)重的的一致性問題后，并非所有電池都達到了使用壽命，而只是其中的一個單元或幾個單元電池提前報廢引起整組電池性能嚴(yán)重下降所致，剩余的電池大部分都有重復(fù)利用價值。
無論是國內(nèi)還是國外，這種情況具有普遍性，特別是隨著電動汽車大量鋰電池組的退役，大批量鋰電池通過科學(xué)的篩選、分容、分檔，大部分電池可以按照梯次利用的原則繼續(xù)使用，這樣可以最大限度地減少電池的報廢數(shù)量，提高電池在生命周期內(nèi)的利用率。
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梯次利用的技術(shù)難點
通過分析和檢測發(fā)現(xiàn)，一致性問題的普遍存在是電池組提前進入退役期的根源，如果不徹底解決電池組的一致性問題，那么一致性問題在梯次利用電池組中將同樣長期存在，電池組使用壽命短的實際問題就無法得到根治。
同時由于梯次利用電池配組時存在先天性個體差異，會導(dǎo)致成組時就存在一致性不確定、甚至可能很差，最終會導(dǎo)致梯次利用電池組的有效使用壽命更短，降低性價比，因此，梯次利用電池組的核心技術(shù)難點仍然是如何高效控制電池組的一致性問題？如何從技術(shù)上控制一致性問題的進一步快速發(fā)展？
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電池均衡的作用
在有效控制和解決電池組一致性差異問題方面，業(yè)界公認(rèn)的解決方案是采用電池均衡技術(shù)，雖然電池均衡技術(shù)有多種，目前主要包括被動均衡（包含主動控制下的被動均衡）、充電均衡和轉(zhuǎn)移式電池均衡三種，其中被動均衡和充電均衡無論是技術(shù)原理還是應(yīng)用實踐上，因存在明顯的固有缺陷，無法用于電池組的放電均衡，從根源上無法解決“落后”電池過放電問題，不是一個完全意義上的解決方案，只是一個過渡階段的電池均衡技術(shù)。
而轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)則融合了充電均衡、放電均衡和靜止均衡，涵蓋了電池組運行的全過程，是一個真正意義上的電池均衡技術(shù)。
由于一致性差異的存在，電池的容量和電壓表現(xiàn)上會出現(xiàn)一定的差異，例如充電期間，容量小的電池較正常容量電池的電壓上升速度快，首先到達充電終止電壓，如果繼續(xù)充電，很容易造成過充電，過充電后電池的內(nèi)阻會快速增大并加快電池發(fā)熱速度，如果不降低充電電流或者停止充電，極易發(fā)生熱失控，存在發(fā)生爆炸、著火的危險；
同樣，放電期間容量小的電池較正常容量電池的電壓下降速度快，最先到達放電截止電壓，如果繼續(xù)放電，很容易造成過放電，過放電后，電池的內(nèi)阻會進一步增大，加速電池的發(fā)熱速度，如果不降低放電電流或停止放電，極易發(fā)生熱失控，同樣存在發(fā)生爆炸、著火的危險。
因此如果電池組的一致性差異過大，那么容量小的電池的損傷速度將進一步加快，通過這一過程我們可以發(fā)現(xiàn)，如果我們能夠通過自動化技術(shù)自動調(diào)節(jié)不同容量電池的充放電電流，即自動降低小容量電池的充放電電流，匹配增大其它電池的充放電電流，就可以防止“落后”電池的電壓充電時過高或者放電時過低，實現(xiàn)不同容量電池的電壓同步上升和下降，主動降低不同容量電池間的相對電壓差。
雖然電池之間仍存在一致性差異，但是一致性問題的各種表現(xiàn)卻得到控制或消除了，這也就達到了解決一致性問題的目的。這就是電池均衡技術(shù)需要解決的問題和需要完成的任務(wù)，現(xiàn)有技術(shù)方案下，只有電池均衡技術(shù)才能實現(xiàn)這一功能，因為它能實現(xiàn)電流的分流功能。
當(dāng)通過智能分配差異電池的充放電電流時，“落后”電池的實際工作電流會降低，由于內(nèi)阻原因引起的溫升也會自然降低，特別是夏季或溫度較高的環(huán)境下，非常有利于降低“落后”電池的熱失控風(fēng)險及其引發(fā)的安全事故，提高運行安全系數(shù)，這一結(jié)論已得到大量實際應(yīng)用的驗證。
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電池均衡技術(shù)的選擇
梯次利用鋰電池組具有容量大、工作電流大、電池質(zhì)量和一致性差異不確定性的特點，因此成組后的梯次利用鋰電池組本身就存在一致性差異的不確定性，這就對電池均衡技術(shù)提出了更高的要求。由于被動均衡和充電均衡在均衡原理上都只能用于充電均衡，存在固有的缺陷，不適合大容量梯次利用鋰電池組的實時快速均衡要求，而轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)，特別是實時轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)具有無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，非常適合梯次利用鋰電池組。
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高速電池均衡技術(shù)的優(yōu)勢
理論和實踐證明，轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)的確可以較好地解決電池組的一致性問題，特別是在一致性差異不大的情況下，均衡表現(xiàn)是非常不錯的，但如果一致性差異較大，那么現(xiàn)有設(shè)計就難以快速滿足需要，主要表現(xiàn)在均衡電流過小，無法適應(yīng)高速均衡的需要。
因此，轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)還必須解決均衡電流動態(tài)范圍的問題，也就是支持的均衡電流必須足夠大，現(xiàn)有技術(shù)雖然可以提高均衡電流，但隨之帶來的就是功率器件在大電流下的發(fā)熱量急劇上升，很難實現(xiàn)均衡能力與發(fā)熱之間的矛盾合理兼顧，這一實際難題需要進一步通過優(yōu)化設(shè)計來解決，但受設(shè)計架構(gòu)的限制，很難實現(xiàn)突破。
如要從根本上解決這一矛盾，必須轉(zhuǎn)變設(shè)計思路，將傳統(tǒng)的通過二極管進行續(xù)流的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，升級為同步整流，而且必須是雙向同步整流，以便實現(xiàn)均衡電流方向的自動任意切換，基于目前電子元器件工業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀，最理想的替換方案就是利用場效應(yīng)管導(dǎo)通電阻小、導(dǎo)通壓降低、損耗小的特性解決二極管導(dǎo)通壓降大、損耗大的難題，只要控制方法得當(dāng)，技術(shù)上是完全可行的。
目前，應(yīng)用于大功率直流電源中的同步整流技術(shù)是單向同步整流，技術(shù)是成熟的，通常采用專用芯片或內(nèi)置同步整流控制技術(shù)來實現(xiàn)，但這種控制技術(shù)應(yīng)用局限較大，不適合用在電池均衡所需要的雙向同步整流控制上。
為了解決這一難題，作者另辟蹊徑，歷時多年的研究，開發(fā)出一種全新的雙向同步整流控制技術(shù)，將這一難題成功解決，在換能電路上取消了兩只續(xù)流二極管，通過兩只場效應(yīng)管功能自動互換實現(xiàn)同步整流，如圖2所示。
這種換能結(jié)構(gòu)的變化，在簡化換能電路和設(shè)計的同時又提高了可靠性，當(dāng)然必須依靠主控電路的精準(zhǔn)驅(qū)動控制才能實現(xiàn)，改進后的實驗樣機對比測試的直接效果是：在相同的溫升情況下，均衡電流提高了數(shù)倍，同時實現(xiàn)了均衡速度和均衡效率在本質(zhì)上的雙提高。
經(jīng)實測，在相同的均衡電流下，例如3A均衡電流，采用雙向同步整流的設(shè)計溫升非常小，甚至幾乎沒有明顯溫升，溫升的降低可以延長設(shè)備的使用壽命和可靠性，為大容量梯次利用電池組的安全、穩(wěn)定和高效運行提供了技術(shù)上的保障。
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實例
下面結(jié)合具體實例進行說明。實驗電池組共13串，所用電池均來自拆機退役電池，隸屬于不同電池廠商，均為標(biāo)稱3.7V鋰離子電池，原設(shè)計容量2200mAh至2600mAh不等，實際剩余容量（1A恒流放電至3.0V時的容量）在0.6Ah至1.7Ah之間分布，除了容量差異懸殊外，內(nèi)阻、自放電率、放電曲線等參數(shù)的差異都非常大。
通常情況下，這種退役電池是不適合梯次利用的，但為了驗證這種設(shè)計的技術(shù)優(yōu)勢，本文以均衡放電為例進行說明，為確保實驗的公平，放電之前，先進行均衡充電，確保每一塊電池都基本充滿電，均衡充滿電后的各電池電壓分布如圖3所示，采用高精度電壓表頭，最右側(cè)帶有“表頭供電”字樣的電池為表頭供電專用，不參與電池組充放電。
圖3電池組充滿電后的電壓分布
7.1常規(guī)放電
對本電池組直接進行常規(guī)放電，1A恒流放電，當(dāng)放電終止電壓達到39V（13*3.0V）或者任意一塊電池的電壓降至3.0V時，即為放電結(jié)束，實際放電時間36分鐘，10#電池（圖中電壓顯示2.998V）到達放電結(jié)束電壓，結(jié)束放電。但從電壓顯示數(shù)據(jù)來看，電池之間的電壓差異較大，最大電壓差接近0.6V，大部分電池仍具有很多電量沒有得到有效釋放，容量浪費嚴(yán)重。
放電實驗結(jié)束時，10#電池的溫升略高于其它電池，如果按照放電截止總電壓繼續(xù)放電，那么10#電池很快就會到達放電截止電壓2.75V并快速進入過放電狀態(tài)，將會對10#電池產(chǎn)生不可恢復(fù)的傷害。
7.2均衡放電
對本電池組重新采用相同的標(biāo)準(zhǔn)充電，再將本文高效電池均衡器樣機連接電池組并進行1A恒流放電，放電標(biāo)準(zhǔn)相同，實際放電時間長達58分鐘，遠遠超過常規(guī)放電時間，均衡放電結(jié)束時的電壓分布情況如圖5所示。
通過每塊電池的剩余電壓可以清楚地看到，均衡放電結(jié)束時的電池組，電壓的一致性仍然非常好，最大電壓只有71mV，電壓分布合理，明顯優(yōu)于常規(guī)放電，完全符合設(shè)計要求，在放電結(jié)束時刻，經(jīng)紅外測溫儀測量，13串電池的溫度幾乎沒有明顯差異，溫升適中。
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展望
鋰電池的梯次利用，特別是電動汽車巨量退役鋰電池的梯次利用對延續(xù)鋰電池的生命價值、減少報廢電池數(shù)量、減少環(huán)境污染、提高資源的綜合利用率意義重大，符合國家的政策，但鋰電池的大規(guī)模梯次利用并不是簡單的再重組，有大量的技術(shù)問題需要解決，特別是運行安全問題。
而這其中，尤為重要的是電池的一致性管理難點問題，如果處理得好，退役電池可以得到高效利用，利國利民。否則，梯次利用的退役電池更容易發(fā)生熱失控風(fēng)險及其所帶來的嚴(yán)重后果，引發(fā)爆炸、起火等安全問題。
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