電池成組后衰減速度普遍很快的問題早已引起廣大科技人員和用戶的關注和重視，電池組快速衰減不僅嚴重縮短續航時間，也影響正常功率的輸出，嚴重的還會引發熱失控故障甚至事故。

電池衰減問題發生的原因非常復雜，既有電池自身差異（簡稱內因）原因導致的衰減，也有使用期間的外界因素（簡稱外因）如充放電電壓、充放電電流、溫度差異等，外因與內因共同疊加、相互作用最終導致電池組的快速衰減。其中，外因是導致電池組快速衰減的主要因素。

關鍵詞：電池衰減，電池均衡，等倍率，熱失控

1、電池衰減的主要成因

內因對于電池的衰減是緩慢的，與外因引起的衰減速度相比幾乎可以忽略不計，外因才是造成電池衰減的主要成因。在各種外因中，最主要的影響因素是充放電電壓、充放電電流以及溫度，這些因素都會影響電池的充電限制電壓和放電截止電壓，當充電時電池的端電壓大于充電限制電壓或放電時的端電壓低于放電截止電壓時，電池會受到損傷，并且這個電壓差值越大，電池受到的傷害越重，直至失效或報廢。

同樣，充放電電流也是影響電池電壓的重要因素，特別是對于衰減電池的影響非常大，由于容量的降低，在較大的充放電電流下，衰減電池的電壓上升速度和下降速度高于正常容量電池，容易導致衰減電池過充電及過放電，同時，由于衰減電池內阻的明顯升高，較大充放電電流下，衰減電池的溫升加速，遠高于正常容量電池，溫度的差異也明顯影響不同電池的衰減速度，溫度越高的電池衰減速度越快。

2、電池組衰減速度高于單元電池的原因

評價電池充放電速度快慢有個專用名詞，稱之為“倍率”，倍率反映的是電池充放電速度，涉及到兩個主要參數，分別是充放電電流和電池容量，換算公式為：倍率=電流÷容量，由此可見，倍率的大小與電池的充放電電流成正比，與電池的容量成反比。

在單電池供電設備中，電池的充放電電流或倍率通常處于某一范圍內，對充電限制電壓和放電截止電壓很容易進行控制，不易發生過充電或過放電的情況，因而電池實際使用壽命通常都比較長，而對于多串電池組，在沒有任何均衡裝置干預的情況下，無法單獨控制每一塊電池的充電限制電壓和放電截止電壓，衰減電池極容易進入極端狀態而受損，同時對其它電池又產生連鎖反應，影響其它電池的正常充放電工作。

這種影響是非線性的，幾乎呈指數式加速狀態，一旦有一塊電池受損（實驗發現，一次嚴重的過放電即可造成鋰電池的嚴重衰減甚至永久報廢），整組電池的容量、性能迅速加速下降。某電池一旦發生衰減，其實際充放電倍率將是組內最高的，這又進一步加劇其衰減速度，充電時快速進入過充電狀態，放電時又快速進入過放電狀態。

如此連續幾個充放電循環后，衰減電池的容量將急劇下降，內阻急劇上升，內阻引起的內部損耗增大，對整個電池組的負面影響是非常明顯的，導致有效放電時間迅速縮短，有效放電容量迅速下降（充電容量也隨之下降），輸出功率下降，因此，電池組的衰減速度遠遠高于單電池供電設備的電池衰減速度。

3、防范電池組快速衰減的最有效方法

根據前面的分析可知，電池組嚴重衰減后的表現主要有以下幾種：一是充放電容量變化；二是充放電時間變化；三是帶負載能力變化。無論是哪種變化，衰減電池都會通過端電壓表現出來，在充放電的情況下，衰減嚴重的電池與正常電池或衰減輕微電池間的電壓差異表現明顯，這種差異的表現，實質就是容量差異以及內阻差異的外在表現，體現的是電池的一致性差異，防范電池組快速衰減就必須解決電池電壓的一致性問題，防止電池發生過充電和過放電極端。基于目前的電池管理技術，只有轉移式實時電池均衡技術才能實現這一目標。

4、實例及分析（本文以國家專利技術[1,2 ]樣機在不同電池組中的應用實例及數據分析進行進一步闡述）。

4.1 鋰電池組均衡實驗數據及分析

實驗電池組為衰減4串鋰電池組，各單元電池經1A放電測量，實際剩余容量分別為1#:1.40Ah，2#:0.61Ah，3#:1.78Ah，4#:1.62Ah。整組充電標準為恒流限壓充電，恒流充電電流為1A，限壓16.8V，當任意電池的電壓充電至4.20V時，整組電池停止充電；放電標準為1A恒流放電，整組電池放電終止電壓限定為12.0V，當任意電池的電壓放電至2.95V時，整組電池停止放電，循環均衡充放電次數50次。

為使實驗更具有對比性，先進行標準放電，即不使用電池均衡器樣機，充放電標準同上，實測放電時間為36.5分鐘，計算放電容量為0.61Ah，等于2#電池的容量，即2#電池的容量代表整個電池組容量，完全符合木桶短板理論。此時，其它3塊電池雖然還有較多電量，但無法釋放出來，容量浪費嚴重。

接下來，對電池組接入本文所述電池均衡器樣機進行充放電，如圖1所示，電池組下方的設備為本文鋰電池均衡器樣機。

圖1 處于放電均衡狀態的鋰電池組

    

在連續進行50次均衡充放電期間，平均放電時間約77分鐘，平均放電容量約1.30Ah，接近于4塊電池的平均容量（1.35Ah），但遠高于標準放電模式下的0.61Ah。

雖然2#電池的容量最小，但通過本文電池均衡器的介入，在充放電全程未發生過充電或過放電的情況，最高電壓4.22V，最低電壓2.98V，均為安全電壓，均優于鋰電池的充電限制電壓4.25V和放電截止電壓2.75V，完全實現安全充放電，其它3塊電池容量也都得到了合理利用，幾乎沒有剩余，無論是實際放電時間，還是實際放電容量都遠遠高于常規放電數據，真正實現了不同容量的高效、合理利用。

本實驗電池組的一致性問題非常嚴重，最高與最低容量差異接近3倍，在沒有本文電池均衡器情況下，2#電池由于容量最小，能夠充入的電量也最少，最先充滿電，如果沒有安全充電控制，隨后就會進入過充電狀態，使電池受損；放電時，其可放出的電量也最少，最先放完電，如果沒有安全放電控制，隨后就會進入過放電狀態，使電池進一步受損，反復充放電后，2#電池的容量將快速衰減。

2#電池在容量嚴重衰減的情況下，還會半生另一個嚴重問題，那就是內阻快速上升。對于蓄電池來說，內阻越小越好，內阻的存在會使電池在大電流充電或放電時溫度快速升高，溫升對于蓄電池副作用很大，特別是過高的溫升不僅加速電池的衰減，嚴重影響和縮短蓄電池的使用壽命，嚴重的還會引發熱失控故障。在本電池組中，標準充放電情況下，2#電池的溫升始終處于最高，進一步加速2#電池的衰減。

而在均衡器介入下，通過均衡器的高效分流功能，2#電池的實際充放電流顯著下降，電壓上升和下降速度實現了與其它3塊電池同步，電壓差非常小，內阻導致的發熱量顯著下降，實測最高溫升低于其它3塊電池，溫升引起的衰減被有效控制，有效降低了2#電池的衰減速度。

4.2 24串單體2V170Ah鉛酸蓄電池組均衡實驗數據及分析

實驗電池組如圖2所示，這是一組用戶返廠待檢修的電池組，上方的白色裝置為本文電池均衡器樣機模塊，客戶反映實際放電時間非常短，帶負載后電壓下降速度非?？?，充電時很快就顯示充滿電，電池組不耐用。

圖2 處于均衡放電狀態的24串鉛酸蓄電池組

實測正常充滿電后，在0.1C（17A）放電倍率的情況下，實際放電時間不足30分鐘，2#電池就放電完畢并快速進入過放電狀態，溫升也明顯偏高，隨后又有幾塊電池電壓急速下降，結束放電。接下來，接入本文2V鉛酸蓄電池均衡器專利樣機模塊，在均衡器的全程介入和自動干預下進行電池組的均衡充放電對照實驗，標準同樣為當任意電池的電壓下降至1.80V時停止放電，首次均衡放電時間長達1.5小時，是標準放電時間的3倍，放電容量25.5Ah，是標準放電容量的3倍。

此時，2#電池仍在安全電壓值以內，溫升很低，與其它電池溫升相似，首次標準放電中電壓偏低的幾塊電池電壓也始終處于安全值以內。在接下來的連續7個循環均衡充放電實驗中，均衡放電時間逐漸延長至2.8小時左右并處于相對穩定狀態，后經連續均衡充放電實驗，放電時間基本都穩定在2.6-3.0小時之間，達到標準放電時間的5倍之多，實測組中衰減電池的最小放電電流與性能最好電池的最大放電電流的差值達到10A以上，衰減電池的實際放電電流幾乎處于最小值，有效地保護了衰減電池。

5、有效放電容量和放電時間延長的外部機理

從上面兩例對比實驗來看，使用本文電池均衡器后，各電池容量得到最大化利用，電池組的安全放電容量和放電時間明顯延長，衰減電池的溫升顯著下降，控制衰減電池過充電和過放電效果顯著，下面對這一顯著變化的機理進行簡要闡述。

這種電池均衡技術，采用相對電壓差控制技術和電能轉移技術進行電池均衡，通過實時對相鄰電池的電壓進行均衡實現整組電池的電壓均衡和電量均衡[3]，特別是其特有的雙向同步整流技術[4]能大幅度提高均衡電流和均衡效率，降低衰減電池的溫升，基于其均衡原理，適用于電池組運行的全過程，包括充電、放電以及靜止期。

例如，放電期間，自動識別大容量電池并對大容量電池增大放電電流，增大放電倍率，增大的放電電流通過均衡器轉換為衰減電池提供一個疊加電流，彌補小容量電池放電能力的不足。同時自動減小小容量電池的放電電流和放電倍率，不足電流由大容量電池通過電池均衡器提供，最終實現所有不同容量電池電壓同步下降，如果電池容量差異不是非常大，并且均衡電流足夠大，均衡效率足夠高，則所有電池均可同時放完電，電池容量得到充分利用。放電均衡原理如圖3所示。

圖3  2串電池均衡放電原理示意圖

同樣充電時，系統根據電池的相對電壓特征自動識別電池容量大小，對小容量電池自動降低充電電流，降低其充電倍率和電壓上升速度及溫升。相反，對容量較大的電池自動增大充電電流，增大充電倍率和電壓上升速度，實現所有不同容量電池電壓同步上升，如果電池容量差異不是非常大并且均衡電流足夠大，均衡效率足夠高，則所有電池均可實現等倍率充電，同時充滿電。

電池組靜止期間，均衡器通過調節不同電池間的電量進行電壓均衡，實現所有不同容量電池的電壓基本一致。

6、展望

本文通過兩組衰減電池的均衡對照實例展現了高效電池均衡技術對衰減電池組的容量和衰減電池溫升影響，在鋰電池組均衡充放電中，樣機的最大均衡電流大于電池組的最大充放電電流，均衡充分，不同電池的容量得到完全發揮，衰減電池的溫升控制理想；在大容量鉛酸電池組中，受實驗樣機最大均衡電流的限制，還有部分電池的電量沒有得到正常釋放和利用，如果采用更大均衡電流的樣機，則有效放電時間和放電容量還可以延長。

進一步的研究和大量科學實驗數據發現，轉移式實時電池均衡器介入得越早，對控制電池衰減的作用越明顯，這一結果表明，電池成組時就裝配上轉移式實時電池均衡器不僅更有利于延長電池組的使用壽命，而且大幅度降低對均衡電流的指標要求，特別適合大容量儲能、動力電池組以及梯次電池的規模利用。

參考文獻

[1]周寶林,周全：一種具有同步整流功能的轉移式實時電池均衡器

[2]周寶林,周全：2V鉛酸蓄電池池均衡器.

[3]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

[4]周寶林,周全：雙向同步整流技術在轉移式實時電池均衡器中的研究與應用

 

 

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