關鍵詞：過充電，過放電，一致性，熱失控，實時均衡

1

一致性問題產生的原因及表現

電池組一致性差異管理難題由來已久，長期以來，一直困擾著電池廠商、廣大用戶和技術管理人員，難以有效解決，其產生原因是多方面的，既包括電池組自身的原因，與電池的生產工藝、品控和配組有關，簡稱稱內因；也包括使用期間的外界因素，如溫度差異、充放電流、充放電壓、充放倍率等，簡稱外因。大量檢測數據表明，外因是導致電池組一致性快速劣化的最主要原因。內因和外因共同相互作用，最終導致一致性問題越來越嚴重。

電池組發生一致性問題后的典型表現為：一是電壓變化，組內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過高和過低的問題，充電時電壓快速上升，放電時電壓快速下降，停止放電時，電壓又快速反彈，恢復正常；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，持續放電時間大幅度縮短，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的低于使用初期，容量縮水嚴重；四是帶負載能力變化，同樣的負載，特別是感性負載，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，個別電池的溫升明顯過大，遠高于組內的其它電池；六是電池外形發生明顯變化，個別電池的外廓尺寸發生明顯變化，特別是方形電池，突起現象明顯（內部壓力過大所致）。上述任意現象都表明，電池組發生了典型的一致性問題。

通過對問題電池組的檢測發現，以容量衰減引發故障的比例最大。其次是局部單元漏電和內短路。本文以容量衰減原因引發電池組問題進行闡述和分析，并提出切實高效的解決方案，特別是技術管理方案。而局部單元漏電和內短路通常與電池生產工藝與品控有關，不在本文討論范疇。

2

容量衰減電池電壓特征

容量衰減電池相對于正常容量電池，其電壓表現非常明顯，特別是在充放電階段，具有明顯的規律性特征，本文以單并多串標準電池組為例進行闡述，這是因為流經每一塊電池的充電和放電電流始終是相同的。

充電階段，衰減電池的電壓上升速度高于正常電池，衰減越嚴重，電壓增長速度越快，很容易就會超過充電限制電壓；

放電階段：衰減電池的電壓下降速度高于正常電池，衰竭越嚴重，電壓下降速度越快，很容易就會低于放電截止電壓；

浮充階段：如果衰減電池的漏電流未發生變化，則電壓通常大于正常電池電壓，因此在浮充階段通過電壓來判斷電池是否發生衰減是不可靠的。

3

抑制衰減電池電壓快速波動方案

理論和實踐證明，電池的過充電和過放電對其破壞性非常大，每發生一次都會造成不可恢復的損傷，并且這種被動損傷呈累積效應，甚至引發爆炸、著火等安全事故。因此，必須通過技術手段確保電池的運行安全，最主要的是要嚴格控制衰減電池的過充電和過放電，對于一致性較好的電池組，每塊電池的實時電壓和充放電倍率幾乎是相同的，所以電池組才有良好的表現。

當電池組發生一致性問題后，電壓會隨之發生變化，對于電池組中的衰減電池，在充電期間為了控制其電壓上升速度，希望適當降低其充電電流，或者適當加大正常電池的充電電流，目的是對不同容量電池進行等倍率充電，這樣不同容量電池的電壓才可能同步上升。同樣，在放電期間。為了控制衰減電池電壓下降速度，希望適當降低其放電電流，或者適當加大正常電池的放電電流，對不同容量電池進行等倍率放電，這樣不同容量電池電壓才可能同步下降。

而要實現這一目標，現有的技術條件下，必須依靠電池均衡器才可能實現，通過電池均衡器的介入和干預，自動調節不同容量電池的充放電電流來調節它們的充放電倍率，最終實現電壓的實時一致或相近。

為了解決電池組的一致性問題，電池生產廠商的方案是從電池生產制造工藝技術和品控著手，實踐證明，的確可以提高出廠時的一致性，但隨著電池成組后電池環境的差異變化，一致性問題仍然繼續出現，無法根治一致性問題，但可以肯定的是，提高出廠時一致性的措施確實可以延緩一致性問題發生的時間。

既然無法從出廠品控上解決電池組的一致性問題，那么我們就從電池組管理技術著手。第一種方案，使用BMS電池管理技術。利用BMS的實時監測和集中控制功能最大限度地控制衰減電池的過充和過放，但是這樣做雖然可以解決電池組的安全運行問題，但會降低電池組的可利用容量，高于放電終止電壓的電池容量無法得到利用，浪費有效容量，一致性問題越嚴重，容量利用率越低，串數越多，問題越突出。

設計BMS電池管理系統的本意之一是保護電池，延長電池組的循環使用壽命，但現實是真實、殘酷的，很多安裝了BMS的電池組依然故障頻發，頻繁出現在生活中、媒體上。問題的原因，一是BMS本身故障失控。

二是BMS提供的保護功能存在技術缺陷。第二種方案，使用電池均衡技術。目前已知的電池均衡技術主要有三類。分別是電阻耗能式被動電池均衡技術、充電均衡技術以及轉移式電池均衡技術。按照均衡原理、均衡效率、均衡速度、以及實用性來看，轉移式電池均衡技術是未來發展方向，但是由于受技術架構、研發路線和研發難度等因素的影響，這項技術的研發困難重重，難度之大超乎研發者的預期。

另外，研發人員又希望將成本控制在合理區間，導致這項技術目前進展依然緩慢，由于存在大量的技術難題需要攻克，但又攻克困難，所以很多當初信心滿滿的研發團體、企業都是因為面臨的技術難題長時間解決不了，而最終選擇了放棄研發，截至目前，研發取得成功甚至實現商品化的企業寥寥無幾。

4

電池均衡要重點解決的問題

通過對大量報廢電池組的拆解、檢測分析發現，電池組提前報廢的最主要原因是一致性問題引起的，而一致性問題的最大根源是單元電池的過充電和過放電，因此，解決一致性問題就必須從解決單元電池的防過充電和過放電入手，必須通過技術手段自動降低衰減電池的充放電電流，從而降低衰減電池的充電速度和放電速度，使之與正常電池保持電壓同步上升和下降。

但由于串聯電池組中每塊電池的充放電電流都是相同的，因此，電池均衡技術必須解決電流的高速分流問題，既能在充電期間分流，也能在放電期間分流，由于電池的衰減是一個漸進的過程，表現出的電壓差也是變化的，因此，均衡電流也必須是動態變化的，以適應電壓差的變化，這就對均衡電流提出了更高要求，單一的恒定均衡電流無法滿足對均衡電流的需求，必須要在一個較寬的范圍內自動調節、自適應變化。

這是因為，第一，充電前（靜止期），衰減電池與正常電池的電壓差通常較小，較小的均衡電流即可滿足電壓均衡的需要，剛開始充電時，電壓差同樣較小，需要的均衡電流也較小，隨著充電的進行，電壓差開始拉大，并且呈加速狀態，這時就要求均衡電流必須同步增大，以阻止電壓差的擴大，而恒定均衡電流設計，通常設定均衡啟動電壓差，如果電壓差小于啟動電壓差，均衡不啟動，減少了均衡時間，必然影響均衡效率，而到了臨近充電結束的末期，電壓差較大，需要較大的均衡電流，但固定的恒流均衡電流式設計，又無法滿足需求，如果充電電流很大，衰減電池同樣存在過充電的風險，只有動態均衡電流式設計才能適應這種變化和電流調節；

第二，放電初期電壓差較小，對于恒定均衡電流設計，由于啟動電壓差的限定，均衡通常不啟動，而到了放電中后期，電壓差較大時，需要較大的均衡電流，而固定的恒流均衡電流式設計又無法根據需求提供較大的均衡電流，衰減電池存在過放電的風險；

第三，在充放電恢復期和靜止期，正常電池與衰減電池的電壓差異通常都不大，較小的均衡電流即可滿足需要，通過在不同電壓的電池間的小均衡電流流動，從化學活性的角度，可以激活鋰離子的活性，實現部分容量的激活及恢復，因此，基于上述需求，理想的電池均衡技術應該具有實時均衡的功能，以動態電流實現全過程的均衡。

均衡效率是電池均衡技術中一個非常重要的參數。均衡的實現必然要進行電能和電流的調整。理想狀態是輸入與輸出相等，但在實際中永遠無法實現，只是希望輸出與輸入的比值越大越好，比值越大，說明電能和電流的利用率高，節能效果好；比值越小，說明電能和電流的利用率低，節能效果差。

在目前的三類電池均衡技術中。實現方式多種多樣，均衡效率由高到低分別為：轉移式電池均衡技術>充電均衡>被動均衡。轉移式電池均衡技術，不僅均衡效率最高，均衡速度也是最快的，雖然其研發成本和實現難度也是最大的，但代表了電池均衡技術的發展方向，最具有發展前途，是高價值電池組的首選。

轉移式電池均衡技術理論和樣機實驗數據表明，這項技術具有解決電池過充電和過放電以及一致性問題的優勢，是其它兩類電池均衡技術無法比擬的，是一種真正意義上的電池均衡技術。基于該技術目前存在的各種難題和困難，還需要研發人員進行持續不斷地進行技術攻關，來解決諸如最大動態電流范圍、均衡效率、對電池的適應性、對串數的適應性以及與BMS電池管理系統的聯控等難題。

5

BMS在電池組一致性上的管理缺陷

BMS對于保障電池組的安全運行及管理，確實可以起到不可替代的作用，但其缺陷也是非常明顯的，特別是在一致性管理方面，存在非常大的短板，確切的說，BMS尚未解決電池組的一致性難題。市場上大量安裝BMS的電動汽車，并沒有因為BMS的存在而使一致性問題消失，經常發生充電起火、運行中起火等事故，就是典型的一致性問題加重后引起的。

即使BMS在控制電池過充和過放方面非常有效，并且控制成功，但由于在電池均衡方面的短板，電池組的有效容量利用率低，低于平均容量，個別單元電池的衰減越嚴重，這一問題越突出，電動汽車行駛里程快速衰減就是一個典型例子。

6

實例及分析

下面以13串梯次利用鋰電池組在不同放電模式下的放電時間對比數據來進行分析和闡述。實驗所用電池全部為報廢電池組拆解下來的梯次利用電池，分別來自于不同電池廠商，具有不同的充放電曲線，1A放電檢測容量從0.55Ah至1.90Ah不等，最大容量差異達到3.5倍，內阻在71毫歐至118毫歐之間不等，內阻一項參數就表明電池衰減較為嚴重。

用這樣的梯次電池組成的電池組仍為典型的一致性很差的電池組，以下所有的數據均來自這個實驗電池組。為了驗證均衡器的均衡能力和對容量的利用率，充放電參數采用相同的標準，即充電采用CC/CV模式，最大充電電流為1A，整組電池充電截止電壓限制為4.2*13=54.6V，或者當任意一塊電池的充電電壓達到4.25V時停止充電，防止個別電池過充電；

放電采用CC模式，放電電流為1A，整組電池終止電壓控制為3.0*13=39.0V，或者當任意一塊電池的放電電壓達到3.00V時停止放電，防止個別電池過放電。實驗開始前，所有電池先通過均衡器的均衡充電功能進行均衡充電。

評價電池組容量的最好方法是測量其放電容量，下面通過常規放電和均衡放電的時間和對應放電容量進行分析和闡述。

常規放電數據。本電池組中單元電池的最小容量是0.55Ah，代表了該電池組的實際容量，雖然其它電池的容量均相對比較大，但卻起不到任何作用，完全符合“木桶原理”中的短板效應，實際放電時間只有33分鐘，放電結束時的電壓情況如圖1所示（平臺右側帶有“電池供電”字樣電池只負責高精度電壓表頭供電，不參與充放電過程，下同）。

通過顯示的實時電壓可以看到，10#電池（下排紅色）已經到達放電截止電壓，但其它電池的電壓距離放電截止電壓還剩余較多，說明還剩余較多電量沒有釋放出來，容量浪費嚴重。

圖1 常規放電結束時各電池剩余電壓

均衡放電數據。對該電池組在均衡器的介入下重新進行標準充電，在放電參數不變的情況下實際放電時間高達58分鐘，計算放電容量高達0.97Ah，是標準放電容量的1.76倍，放電結束時電壓情況如圖2所示，13#電池首先到達放電截止電壓，但其它電池電壓也都基本接近放電截止電壓，最高電壓為12#電池（下排右側第三塊電池），只剩下3.070V，整組電池的最大電壓差只有70mV，所有電池存儲的電量基本釋放完畢，實現了容量的最大化利用。

圖2 均衡放電結束時各電池剩余電壓

在均衡放電對比實驗中，通過對放電期間的電池進行紅外測溫發現，在標準放電結束時溫升相對較高的10#電池，在均衡放電中的溫度始終處于較低的水平，原因就是其實際放電電流大幅度降低，因內阻原因導致的損耗大幅度降低，故而溫升較低。

放電均衡的實現主要是得益于均衡器的設計采用的是差異化電流控制及高效率電能轉換，每一塊電池都具有不同的放電電流，差異化放電，大容量電池放電電流大一些，小容量電池放電電流小一些，最終實現不同容量電池實現等倍率放電，因此不同容量電池才具有幾乎相同的放電時間。

通過放電對比實驗可以看到，均衡放電的最大意義在于：一是有效控制了嚴重衰減電池的過放電問題，使其不被過放電；二是實現了每一塊電池容量都得到高效利用，整組電池的實際放電容量非常接近于所有電池的平均容量，避免了容量的浪費。

電池均衡的核心目的是保證電池組在安全充放電的情況下存儲和釋放最多的電量，不必強求每一塊電池的電壓都實時相同，只要保證在整個過程中沒有電池進入過放電或過充電狀態即可滿足需要。

本文所用電池均衡器設計，同時支持靜態均衡、充電均衡，另外，其獨特的雙向同步整流設計使其支持大電流均衡，適應于高速均衡的需要，但限于篇幅，相關技術原理和實驗對照數據不再介紹。

7

展望

在串聯電池組中，個別單元電池的過充電和過放電是造成電池組一致性問題的根源，引發的熱失控極其后果是嚴重的，不通過自動化技術手段去解決這個問題，一致性問題將永遠存在，鋰電池的梯次利用就是一個典型例子，為什么要提倡和鼓勵進行梯次利用？主要原因就是因為一致性問題解決的不好，產生的擬“梯次利用”電池太多，尚有利用價值，無法直接處置。

如果一致性問題解決了，可重復利用的梯次電池數量將會大幅度減少，除了整組電池的容量降低外，幾乎不會產生其它問題，可以直接使用在對容量要求不高的場合，如果空間滿足，可以直接并聯使用在空間較寬松的儲能場合，如儲能電站、通訊基站等。

參考文獻

[1]周寶林,周全.一種具有雙向同步整流功能的轉移式實時電池均衡器

[2]周寶林,周全.轉移式電池均衡技術對電池電壓與荷電量影響的研究

[3]周寶林,周全.轉移式實時電池均衡技術對衰減電池組容量和溫升的影響

 

 

轉載請注明出處。