摘要：蓄電池衰減后，額定放電電流下的放電容量下降、內(nèi)阻上升、通常做報(bào)廢處理，大量科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)表明，電池衰減后，雖然在大電流（高倍率）下容量很小，沒有繼續(xù)使用的價(jià)值，但在減小放電電流，即減小放電倍率的情況下，衰減電池的放電容量會(huì)明顯上升，因此，只要對(duì)衰減電池降低放電電流使用，仍具有非常高的再利用價(jià)值，高效轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)的介入和自動(dòng)干預(yù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)衰減電池降低充放電電流，提高了衰減電池的實(shí)際放電容量，從而提高了衰減電池組的實(shí)際放電容量并延長(zhǎng)其生命周期。

關(guān)鍵詞：電池衰減，放電倍率，電池均衡，等倍率

1、電池容量

電池容量通常是指充滿電的蓄電池在一定放電條件下的實(shí)際釋放電量，通常以mAh或Ah表示。放電條件通常包括放電時(shí)的溫度、放電電流、放電倍率等。例如，某鋰電池在某溫度條件下，1A恒流放電，持續(xù)放電時(shí)間72分鐘到達(dá)放電終止電壓，則該電池的容量為1.2Ah，計(jì)算公式為：72/60*1=1.2Ah。

任何蓄電池都有一個(gè)共性，容量隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加而減少，俗稱衰減，但衰減速度存在明顯的個(gè)體差異，與環(huán)境溫度、充放電倍率、電池的自放電率關(guān)系密切，電池成組后，電池的位置就基本固定，特別是對(duì)于防水性能要求非常高的電池組，如電動(dòng)汽車用鋰電池組。

在大電流充放電和完全密封的環(huán)境下，個(gè)體間的工作溫度差異將一直存在，溫度越高衰減速度越快，自然就形成了電池容量衰減速度的差異，最終的表現(xiàn)形式是電池組的一致性變差，放電時(shí)間越來越短，放電容量越來越少。

2、鋰電池容量與放電倍率的關(guān)系

電池的容量與放電倍率有關(guān)，所以，蓄電池在標(biāo)注容量的同時(shí)通常都標(biāo)注放電倍率或小時(shí)率，即便不標(biāo)注，也要求放電電流或放電倍率范圍，通常情況下，除特殊高倍率設(shè)計(jì)的電池外，放電倍率越大，電池的實(shí)際放電容量逐漸減少，降低放電倍率，實(shí)際放電容量會(huì)逐漸上升，但通常不會(huì)高于設(shè)計(jì)容量。

評(píng)價(jià)電池容量要配合放電倍率指標(biāo)，因?yàn)樵诓煌烹姳堵氏拢姵氐膶?shí)際釋放容量是不同的，總的趨勢(shì)是，放電倍率越大，電池的釋放容量越小；降低放電倍率，電池的實(shí)際釋放容量會(huì)增加。同時(shí)，這種變化趨勢(shì)與電池的健康狀況密切相關(guān)，對(duì)于新電池而然，放電倍率對(duì)容量的影響相對(duì)較小，而對(duì)于衰減電池，放電倍率對(duì)容量的影響則相對(duì)較大，衰減越嚴(yán)重，影響越明顯。

2.1正常鋰電池在不同放電倍率下的容量表現(xiàn)

由于生產(chǎn)制造工藝的原因，除特殊設(shè)計(jì)的高功率動(dòng)力電池外，鋰電池通常都限制最大放電電流或放電倍率，以確保容量釋放的最大化。對(duì)于普通鋰電池，允許或者安全的放電倍率通常限制在2C以內(nèi)，超過這一放電倍率，不僅可釋放容量大幅度降低，如圖1所示。而且電池會(huì)由于內(nèi)阻的存在而發(fā)熱嚴(yán)重，容易發(fā)生熱失控引起鋰電池爆炸、火災(zāi)等危險(xiǎn)。

圖1 某型號(hào)動(dòng)力鋰電池在不同放電倍率下的放電容量曲線

通過這一放電容量曲線可以看到，鋰電池在較低的放電倍率下，容量的釋放最充分，最接近理想容量，同時(shí)由于放電電流的降低，鋰電池的放電溫升也降低，放電安全性也大幅度提升。

2.2衰減鋰電池在不同放電倍率下的容量表現(xiàn)

下面是一組18650衰減鋰電池在不同放電倍率下的檢測(cè)容量（放電截止電壓3.0V），如表1所示，原設(shè)計(jì)容量均為2.2Ah，均發(fā)生不同程度衰減，在不同的放電電流和放電倍率下，實(shí)際放電容量發(fā)生明顯變化。

通過表中的各種測(cè)量數(shù)據(jù)及其規(guī)律分析，可以看出，放電倍率對(duì)于衰減電池的實(shí)際容量影響是非常大的，放電倍率越大，可利用容量越小，隨著放電電流和放電倍率的下降，可利用容量均不同程度逐漸提升，衰減越嚴(yán)重的電池，小倍率放電容量上升越明顯。圖2為1#在三種放電電流下的放電曲線對(duì)照?qǐng)D，通過放電曲線對(duì)照?qǐng)D可以明顯發(fā)現(xiàn)衰減電池在不同放電電流下的明顯差異，包括放電電壓平臺(tái)變化、放電容量變化等。

圖2 1#電池在三種放電電流下的放電曲線對(duì)照?qǐng)D

根據(jù)這一規(guī)律特性，對(duì)于衰減電池，只要合理降低其放電電流或放電倍率，那么，衰減電池仍然具有良好的利用價(jià)值，仍然可以發(fā)揮余熱。

3、不同放電倍率容量的意義及應(yīng)用

通過對(duì)不同衰減程度鋰電池的放電實(shí)驗(yàn)曲線的分析和比較可以發(fā)現(xiàn)，在相同的放電電流情況下，衰減電池的放電曲線斜率隨著衰減程度的加重呈現(xiàn)負(fù)增大，放電倍率也是逐漸增大的，即在負(fù)載電流不變的情況下，隨著電池衰減的加重，放電時(shí)間和放電容量逐漸下降。

既然增大放電倍率會(huì)加快衰減電池的衰減速度，減小放電倍率會(huì)減弱衰減電池的衰減速度，那么，只要科學(xué)、合理地減小衰減電池的放電電流，就可以延長(zhǎng)衰減電池的實(shí)際放電時(shí)間和放電容量，為了驗(yàn)證這一思想，作者開展了衰減電池在不同放電倍率下的連續(xù)循環(huán)放電試驗(yàn)，結(jié)果表明，降低衰減電池的放電電流即放電倍率后，的確可以延長(zhǎng)其放電時(shí)間和提高實(shí)際放電容量，并延緩衰減速度。

連續(xù)循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在降低放電倍率的情況下，衰減電池的實(shí)際放電容量均有不同程度的上升，特別是對(duì)于高放電倍率下放電容量非常小的鋰電池，當(dāng)大幅度降低放電倍率后，可利用容量大幅度提高，這一試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論非常具有實(shí)際意義。

其最重要的意義和應(yīng)用價(jià)值在于退役電池組的梯次利用。退役后的電池組，盡管大部分電池仍具有梯次利用價(jià)值，但受組內(nèi)衰減報(bào)廢電池的影響，很多電池的性能已下降很多，無論是剩余容量的下降，還是內(nèi)阻的上升，都使其無法再進(jìn)行較大倍率的充放電，只能降低充放電倍率才能安全使用，這是其一；

其二，梯次利用電池組的負(fù)載，通常都要求輸出較大電流和功率，因此只要將更多的同型號(hào)、同類型電池通過多并多串組合，就可以實(shí)現(xiàn)合適的電壓和功率輸出，這種方式不僅可以最大限度地降低每一塊梯次電池的放電電流和放電倍率，而且達(dá)到延長(zhǎng)梯次電池使用壽命的目的。

在電池組的一致性技術(shù)問題沒有完全解決的情況下，梯次利用將是一個(gè)延長(zhǎng)電池使用時(shí)間和提高利用價(jià)值的最好方案。

4、如何實(shí)現(xiàn)衰減電池的低倍率充放電

新裝配的電池組，無論是放電時(shí)間還是功率表現(xiàn)都是最好的，這是因?yàn)樾码姵亟M的一致性通常都非常好，每一個(gè)單元電池的輸出功率都基本相同，從而保證了電池組功效的最大化，盡管電池組商家都表示，電池組出廠前都經(jīng)過了嚴(yán)格的篩選和匹配，一致性非常好，但現(xiàn)實(shí)卻是殘酷的，出廠時(shí)一致性再好的電池組，經(jīng)過若干個(gè)充放電循環(huán)后都會(huì)呈現(xiàn)一致性問題。

少則幾十個(gè)充放電循環(huán)，多則幾百個(gè)充放電循環(huán)，一致性問題就會(huì)非常嚴(yán)重，并且愈來愈嚴(yán)重。理論和大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對(duì)于衰減電池，降低其充放電電流或充放電倍率是減緩衰減電池快速衰減的最有效方法。

在目前的電池生產(chǎn)工藝無法解決電池組在使用期間的一致性問題的情況下，唯一可行的解決方案就是通過電池管理技術(shù)來解決，具體來說，就是通過電池均衡技術(shù)來調(diào)節(jié)不同容量電池的充放電電流，使之進(jìn)行全時(shí)段等倍率充放電。

多年來，電池均衡技術(shù)一直備受關(guān)注，并引發(fā)一股開發(fā)熱潮，時(shí)至今日，只有三種類型，分別是被動(dòng)式的電阻放電均衡、主動(dòng)式的充電均衡和高效率的轉(zhuǎn)移式電池均衡。根據(jù)均衡原理，重點(diǎn)要解決的是電流的快速分流功能，電阻放電均衡，電流非常小，一般在100毫安以內(nèi)，對(duì)于大容量電池組效果有限，且無法進(jìn)行放電均衡，電池易發(fā)生過放電問題。

充電均衡技術(shù)的均衡電流可以做的比較大，達(dá)到幾安培以上，但主要缺陷同樣是無法解決電池過放電的問題；轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了均衡技術(shù)的突破，不僅均衡電流大，而且適用于電池工作的全部階段，堪稱最理想的電池組均衡技術(shù)。

作者在研發(fā)電池均衡技術(shù)之初就選擇了研發(fā)難度最大且最有前途的轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)，經(jīng)過多年堅(jiān)持不懈的技術(shù)攻關(guān)與不斷優(yōu)化，成功地實(shí)現(xiàn)了均衡電流和均衡效率的雙重突破，加之研發(fā)出特有的雙向同步整流技術(shù)，使均衡電流最高達(dá)到10A以上，均衡效率最高達(dá)到97%左右。

例如，目前開發(fā)出的20A級(jí)單體2V鉛酸蓄電池均衡器原型機(jī)，在電壓平臺(tái)非常低的不利條件下，即使在20A滿負(fù)荷情況下，均衡效率仍達(dá)到80%左右；而對(duì)于鋰電池組，在同樣的20A均衡電流情況下，均衡效率則達(dá)到90%左右。

均衡電流的大幅度提高，意味著對(duì)衰減電池的分流能力增強(qiáng)，均衡速度更快，對(duì)衰減電池的保護(hù)能力更強(qiáng)；均衡效率的提高，意味著電能的利用率更高，對(duì)電能的損耗更小，均衡模塊的發(fā)熱量更小，不會(huì)增加電池組的溫升，這樣的高效電池均衡模塊設(shè)計(jì)為高功率動(dòng)力電池組和儲(chǔ)能電池組（包括梯次利用電池組）的高效、安全運(yùn)行提供了技術(shù)上的保障。

5、展望

隨著生產(chǎn)工藝水平的提高，單體電池的質(zhì)量逐漸上升、容量、內(nèi)阻、電壓等一致性逐漸提高，但成組后使用卻表現(xiàn)出各種各樣的差異，特別是容量、內(nèi)阻、電壓等方面的差異，致使各種電池組大概率地發(fā)生一致性問題，并由此引發(fā)熱失控，進(jìn)而發(fā)生爆炸、火災(zāi)等事故，隨著電動(dòng)汽車大量退役電池的產(chǎn)生及梯次利用的重視，似乎為退役電池的合理安置找到了解決出路。

但是由于梯次電池的一致性更差，且一致性問題一直未能在技術(shù)上取得突破，梯次利用的電池發(fā)生在一致性問題的時(shí)間點(diǎn)還會(huì)提前，如果管理技術(shù)跟不上，同樣還會(huì)發(fā)生諸如熱失控、爆炸、起火等事故，高效電池均衡技術(shù)的研發(fā)成功，極大地提高了電池組運(yùn)行的一致性，從而提高了運(yùn)行的安全性，也更明顯地延長(zhǎng)電池組的循環(huán)使用壽命。可以說，這種高效電池均衡技術(shù)為電池組的高效安全運(yùn)行提供了一種智能化的管理手段。

參考文獻(xiàn)

[1]周寶林、周全：一種具有雙向同步整流功能的轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器

[2]周寶林、周全：轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對(duì)電池電壓與荷電量影響的研究

[3]周寶林、周全：雙向同步整流技術(shù)在轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器中的研究與應(yīng)用

 

 

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