本文通過對充放電倍率對電池衰減的分析，提出通過等倍率充放電來降低小容量電池衰減速度的思想，借助高效轉移式電池均衡器對差異巨大電池組的循環充放電實驗，對等倍率充放電理論進行了驗證。實驗證明，等倍率充放電是控制電池衰減、提高容量利用率的最有效手段。

1、充放電倍率差異對電池組一致性的影響

大功率儲能、動力電池組均為串聯結構，為獲得更大容量，有時還要采取多并多串結構，電池配組后，我們期望的結果是電池組的充放電容量穩定、各單元電池的電壓近似相同，電池組的使用壽命接近單個電池的設計使用壽命，不發生明顯的電壓一致性問題，充電時電壓同步上升，沒有電池發生過充電問題；放電時電壓同步下降，沒有電池發生過放電問題。

但現實卻是殘酷的，大量的使用數據顯示，電池組的滿功率實際循環使用壽命通常只有單體電池設計壽命的1/5～1/3,遠遠達不到設計要求，問題嚴重的還會發生“熱失控”故障并引發安全事故。而導致電池組壽命短的最根本的原因，就是電池組的一致性問題未能得到根本解決。

電池組的一致性問題發生的原因非常復雜，既有電池生產制造工藝上的原因，簡稱內因，無法改變。如內阻、自放電率（自身漏電）、容量等參數的差異，也有使用期間的外界環境因素，簡稱外因，如環境溫度、充放電電壓、充放電電流、充放電倍率等。綜合來看，外因對一致性的影響更大，是需要重點關注和解決的，通過技術手段可以進行優化和解決。

我們知道，充放電電流與于放電倍率密切關聯，在充放電流不變的情況下，電池的容量就起到了決定性因素，容量越大，充放電倍率越小；容量越小，充放電倍率越大。同時充放電倍率又直接影響到電池的溫升、電壓升降速度以及充放電限制電壓等等，相互關系如圖1所示：

圖1 充放電倍率對電池衰減影響示意圖

充放電倍率差異形成機理表明，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聯，二者互相促進，進入惡性循環。由此可以得出結論，控制電池的充放電倍率是防控電池衰減的關鍵。

大量實驗數據表明，充放電倍率對于鋰離子電池衰降速度具有極大的影響，趨勢和結論是：充放電倍率越大，電池衰減速度越快，標準充放電倍率及以下，電池的衰減速度最小。可見，合理控制電池的充放電倍率是保證電池循環使用壽命的保證，特別是放電倍率。如圖2所示：

圖2 放電倍率對某類型鋰電池循環使用壽命的影響

新裝配電池組，由于電池多為同一批次，每塊電池的容量、內阻和電壓都接近，實際放電倍率和輸出功率都基本相同，因此電池組的動力輸出表現和續航時間最佳，使用上的表現為新電池非常耐用。但是由于電池間的個體差異、工作環境溫度、充放電電流、過充過放等因素影響，經過多次充放電循環后，個體間的差異會逐漸擴大。

主要表現在容量、電壓、內阻等差異越來越大，使得電池間充放電倍率差異增大，未衰減或輕微衰減電池的充放電倍率基本不變，衰減電池的充放電倍率則明顯增大，衰減越嚴重，實際充放電倍率越大，溫升越明顯，不同的溫升還會進一步加劇電池的差異化衰減。

充放電倍率包括充電倍率和放電倍率。在應用和實踐中，人們往往重視放電倍率，卻忽視了充電倍率，事實上，高充電倍率同樣是造成電池一致性問題的重要原因。高倍率充電會使衰減電池（小容量電池）經常發生過充電，加劇小容量電池的衰減，并形成惡性循環。

惡性循環的最嚴重后果是充電時電池溫度急劇升高，繼而可能引發電池組發生爆炸、火災等事故，這種案例非常多。此外，充電倍率差異過大還會使電池組的可用容量越來越小，低衰減或未衰減電池的容量無法得到有效利用。

高倍率放電加劇小容量電池的衰減，特別是放電期間，如果不能進行有效控制，小容量電池極易發生過放電，形成不可恢復性損傷，衰減加速，放電期間，溫升明顯超過其它電池，進一步加速小容量電池的衰減并進入惡性循環。

由此可見，控制小容量電池的充放電倍率，對于延長電池組循環使用壽命是非常重要的。大量研究實驗及應用表明，當充放電倍率和截止電壓超過一定數值時，電池衰減加速，為了降低電池的衰減速率，需要選擇合適的充放電倍率和高效控制截止電壓。

2、等倍率均衡充放電實現機理及實例

通過前面的示意圖不難看出，降低充放電倍率，即降低衰減電池的充放電電流是解決電池快速衰減的關鍵，科學實踐證明，分流是最佳技術手段，通過自動化技術自動提高大容量電池的充放電流，降低小容量電池的充放電電流予以實現，即均衡充放電。

通過分流技術調整電池的充放電電流，就是在電池上并聯一種自動調整裝置，通過裝置的智能化操作自動調節每一塊電池的工作電流，實現自動分流。即充電期間，自動對容量大的電池提高充電電流，對容量小的電池減小充電電流，進行等倍率充電；放電期間，自動對容量大的電池提高放電電流，對容量小的電池減小放電電流，進行等倍率放電。

基于上述原理，下面結合具體實例和測量數據進行說明。為使實驗測量數據明顯地反映出分流效果，采用容量非常懸殊的兩塊鋰電池組建串聯電池組， B1電池（綠色18650型號）容量約1Ah，B2電池（藍色方形）容量約為11Ah，使用雙向同步整流技術的高速、高效電池均衡器[1]樣機（支持10A以上連續均衡電流），兩塊萬用表測量電池的實時電壓，使用鉗形表檢測電池的實際放電電流，充電器型號DPS-305BF，恒流負載型號3710A。

2.1 大電流均衡充電實驗

對該電池組進行4A恒流充電期間，在均衡器的強大分流、均衡作用下，B2電池的實際充電電流遠遠大于充電總電流，高達7.13A，圖3所示，本應通過B1電池的4A電流，實際上只有0.66A左右（圖略），剩余的3.34A（4A-0.66A=3.34A）電流通過均衡器轉換輸送到B2電池，增加B2電池的充電電流，兩塊電池的實際充電電流相差6.57A，相差近11倍，非常懸殊。

通過計算，B1電池的實際充電倍率約為0.66（0.66/1=0.66）C，B2電池的實際充電倍率約為0.65（6.57/11=0.65）C，去除測量誤差影響，兩塊電池的充電倍率基本相同。圖中還可以看到，盡管兩塊電池的充電電流非常懸殊，但是兩塊電池的相對電壓差卻非常小，只有70mv左右，溫升基本相同，B1電池的實際充電電流大幅度降低，因內阻原因產生的熱量大幅度降低，消除了潛在的熱失控風險。

圖3充電電流4A情況下B2電池的實際充電電流達到7.13A

2.2 大電流均衡放電實驗

在大電流恒流均衡放電實驗期間，將總放電電流提高至5A，此時，均衡器的均衡電流高達9.08A，如圖4所示，經測量，電池B1和B2的實際放電電流分別為0.87A和9.82A（圖略），通過計算得知B1和B2電池的放電倍率分別為0.87C和0.89C，去除測量誤差，放電倍率基本相同，直至放電結束，兩塊電池的放電溫升仍基本相同，B1電池實際放電電流大幅度下降，因內阻原因引起的溫升大幅度降低，直接消除了溫升引起的熱失控隱患。

圖4放電電流5A情況下B2電池的實際放電電流達到9.08A

均衡放電實驗表明，均衡器的介入，對于控制不同容量電池實行等倍率放電的作用是明顯的，小容量電池的實際放電電流顯著低于大容量電池的實際放電電流，不僅有效預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，意義重大。

3、拓展實驗情況及分析

在均衡放電期間及結束時，兩塊電池的電壓一直處于安全、低壓差狀態，B1電池未進入放電截止電壓區間，整組電池表現出良好的均衡放電特征，即使在全程使用5A恒流放電至放電結束的情況下，B1電池也沒有出現溫度升高的情況，控制溫升效果顯著。

作為對照，對放電結束的電池組在保持均衡器實驗樣機的情況下，以5A恒流充電至自動切換恒壓充電期間，本應通過B1電池的的5A電流，實測最大充電電流只有0.84A左右，折合最大充電倍率約0.84C，而B2電池的實測充電電流高達8.8A左右，折合最大充電倍率約0.80C，兩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0.11V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內，均衡器樣機在連續大電流均衡的情況下只有微量的溫升。

在轉入恒壓充電期間，隨著充電電流的減小，均衡電流和電壓差同步減小。當將B1電池更換為較大容量的電池時，并且電池均衡器不變的情況下，在進行相同的3A、4A和5A恒流充放電時，充放電流明顯增大，補充電流和分流電流明顯縮小，但兩塊電池的的充放電倍率仍基本相同，均衡器同樣幾乎感覺不到溫升，可見均衡器的電流自動調節能力直接影響電池的充放電倍率。

均衡充放電實驗表明，小容量電池實現了少充少放，大容量電池實現了多充多放，不同容量電池實現了近似等倍率充放電，在均衡電壓的同時，也同時對電池的容量和SOC[2]進行了均衡，對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一個無法回避的現實難題，只要是串聯電池組就一定存在，只是輕重程度不同而已，并且會隨著時間的推移逐漸加重，如果從電池成組就通過通過主動均衡予以干預，那么一致性問題的發生就會大大延后，甚至不會發生一致性問題，通過各種對照實驗，具有實時均衡功能的轉移式動態電池均衡技術在控制電池充放電倍率方面的表現最佳。

當電池出現不一致情況時自動進行小電流均衡，充放電后期或者劇烈電流波動導致電池間電壓差拉大時，均衡電流同步自動加大，自動降低小容量電池充放電電流和充放電倍率，不僅主動預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”帶來的容量短板問題，保證電池組的充電容量和放電容量穩定，不僅解決了衰減問題、一致性問題，還提高了容量的利用率，特別是有效防控了熱失控風險，提高了電池組的運行安全性。

4、展望

為便于闡述，增大測量數據的反差，提高視覺效果，本文只進行了2串容量懸殊電池組等倍率均衡放電實驗，并進行了相應的數據分析，鑒于實驗電池均衡器的工作原理，適合于任意串電池組，主動調節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，不僅實現了不同容量電池的的等倍率充放電，而且能夠顯著降低小容量電池的工作溫升和衰減速度，對于防止電池熱失控、提高電池組的安全、穩定運行作用明顯，特別是對于大功率動力電池組以及大規模梯次電池的二次利用具有重要意義。

 

 

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