關鍵詞：一致性，衰減，倍率，均衡

倍率是指蓄電池的充放電流與實際容量的比值。單位是C，它包括充電倍率和放電倍率，倍率的大小反映的是電池充放電速度的快慢，倍率數值越大，電池充放電速度越快，過大的充放電倍率嚴重影響電池的充放電容量和循環使用壽命。

當倍率降低時，電池的充放電速度會降低，充放電時間會延長，但充放電容量相對穩定，有利于延長電池的循環使用壽命。圖1為某型號動力鋰電池在不同放電倍率下的放電曲線，鮮明地反映出放電倍率但電池容量、電壓的影響。

圖1 動力鋰電池在不同放電倍率下的放電曲線

充放電倍率除了明顯影響充放電時間、容量和循環壽命外，還會明顯影響電池的溫升，因為鋰電池都是有內阻的，通常從幾毫歐至幾十毫歐不等，額定容量越大，通常內阻越小。

當電池發生容量衰減后，內阻上升，上升幅度與電池的衰減程度有關，衰減越嚴重，內阻上升幅度越大，內阻的上升，不僅影響電池的功率發揮，更會嚴重影響電池在充放電時的溫升，溫升如果得不到有效控制，就容易引發熱失控，最終導致電池的自燃、爆炸、著火等事故。

電池的發熱功率可以用公式P=I2·r來表示，其中P表示發熱功率，I是充放電電流，r是電池的內阻，通過公式可知。發熱功率既與電流的平方成正比，也與內阻的大小成正比。通過對大量18650型號的衰減鋰電池內阻檢測發現，衰減鋰電池的內阻通常都在八、九十毫歐以上，甚至高達幾百毫歐。

下面以電動汽車動力鋰電池組為例進行分析和闡述。假設電池組的設計容量是50KWh，額定電壓為500V，則單元電池的平均容量為100Ah，當對電池組采取快充方式充電時，充電功率通常在200KW以上，對于本電池組，平均充電電流將高達400A，假設某單元電池的內阻是5毫歐，則該單元的持續發熱功率高達P=I2·r=400*400*0.005=800W，對于容量100Ah的電池來說，發熱功率有些太大。

而且這只是其中的一個單元電池的發熱功率，如果熱管理系統和散熱功能不佳，在較短的時間內該單元的溫度就會快速上升，形成高溫，熱失控風險加大，如果將充電機功率下調至50KW，則平均充電電流降至100A，相當于1C的充電電流，對應的發熱功率P=I2·r=100*100*0.005=50W，發熱量大幅度，熱失控風險隨時大幅度下降，簡單的計算可以發現，快充對于電池組的充電安全會造成非常大的熱失控風險。

電池組一致性問題是外因借助內因的影響逐漸擴大和加重的，有一個循序漸進的過程，可實時監控和測量的參數主要是實時電壓、實時內阻和實時溫度的變化，包括絕對值變化和相對值變化，絕對值變化反映的是電池的剩余SOC等情況，相對值變化反映的是電池間的差異，即一致性差異及劣化情況。

電池最懼怕的操作是充電時的被過充電和放電時的被過放電，這兩個極端是電池組使用壽命快速縮短的根源，電池組的安全運行管理必須從根本上解決這兩個極端，使之避免發生。

充電期間，電池組中的小容量電池電壓上升速度快，大容量電池電壓上升速度慢，電壓上升速度的差異，會使小容量電池容易發生過充電，大容量電池則長期無法充滿電，解決這兩個問題的技術思思路是通過外圍電路的介入和干預，讓小容量電池的充電電流減少一點，使其電壓上升速度慢一點，同時適當增加大容量電池的充電電流，使其電壓上升速度快一點。

事實證明，只要減少的電流和增大的電流處于合理比例狀態，那么，大小容量電池的電壓上升速度就會基本相同，或者稱之為同步，不僅可以解決小容量電池的過充電問題，也可以讓大容量電池也能夠充滿電。

同樣，放電期間，大容量電池的電壓下降速度慢，小容量電池的電壓下降速度快，電壓下降速度的差異，會使小容量電池容易發生過放電，而大容量電池的容量無法釋放完，造成容量的浪費，無法得到有效利用，解決上述問題的技術路是通過外圍電路的介入和干預，增加大容量電池的放電電流，使其電壓下降速度稍快一點，適當降低小容量電池的放電電流，使其電壓下降速度慢一點。

大容量電池放電電流的增量，要轉換為小容量電池放電電流的縮量，提高電能的利用率，只要增加的電流和減少的電流處于合理比例狀態，大小容量電池的電壓下降速度就會基本同步，不僅可以解決小容量電池的被過放電問題，也可以保證大容量電池的容量充分利用。

上述思想中的一增一降其實質就是對電池進行差異化電流調節，即電池均衡。容量大的電池提高其充放電電流，容量小的電池降低其充放電電流，提高與降低之間存在關聯關系，與電池間的差異程度有關，差異大則提高與降低的電流絕對值大。差異小，則提高與降低的電流絕對值小，具體多大合適，需要電池均衡設備根據自身均衡能力進行自動調節，因此要求電池均衡器應具有均衡電流自動調節功能。

電池均衡技術發展一直遠遠滯后于電池的發展速度，特別是高性能、高效率的實時電池均衡技術，發展更是相對緩慢，技術突破較為困難。

目前電池均衡技術主要有三類。第一類是采用開關管加電阻式的被動放電均衡技術，只能用于充電均衡，由于電阻發熱的原因，均衡電流通常在100毫安以內，只適用于一致性較好的電池組，如果電池組的一致性較差，均衡效果會大打折扣，如果充電電流較大，則過充電問題依舊存在，易導致衰減電池過放電，加重一致性差異。

第二類是具有一定電流轉移能力的充電均衡器，相比第一類，均衡電流較大，效率較高，屬于主動均衡范疇，對解決過充能力較強，但同樣存在不支持放電均衡和靜態均衡的短板，過放問題依舊存在，還不是真正意義上的電池均衡器。

第三類是全面支持充電均衡、放電均衡和靜態均衡的純主動均衡技術，俗稱轉移式電池均衡技術，又細分為并聯均衡技術和串聯均衡技術，是兩種完全不同的技術路線、技術方案，差異很大，適用場景也不同，目前這類電池均衡技術的均衡性能、效率最佳，但技術復雜，成本較高，需要在保證提高性能的前提下，進一步進行技術升級和優化，降低設備成本。

隨著對電池儲能技術和電動汽車的旺盛需求，出于安全管理的需要，人們對電池均衡的需求和要求越來越高，迫切需求解決電池組的一致性管理難題，及其引發的熱失控風險，畢竟對于高功率電池組而言，安全運行才是第一位的。

據報道，自2018年5月以來，韓國儲能行業發生的23起嚴重火災，有20起是在充電后和充放電過程中發生的，占比高達87%；另據官方機構統計，2018年我國新能源汽車起火事件至少發生40起，2019年以來，新能源汽車起火事件依然頻發，在4月21日至4月24日的四天時間內連續發生三起起火事故。

與此同時，新能源整車召回事件也頻發，其中因電池安全而引起的召回較2018年明顯增多。業內人士認為，電池安全管理缺陷，特別是一致性管理難題導致電動車輛在使用過程中發生電池包內部過熱，存在熱失控起火的安全隱患，是需要重點攻克和解決的難題。頻繁的電池安全事故，使人們對電池的使用安全問題飽受詬病，質疑聲不斷，問題的主要焦點是電池的安全性問題。

通過對大量故障電池組的檢測分析發現，因電池自身原因造成的事故只占很小的比例，如漏液、內部短路，通常與電池的生產質量有關，絕大多數都是由于一致性管理技術不好造成的，一致性問題劣化后，會造成多種故障，如前所述的高溫、爆炸、起火等，都可以由一致性問題劣化演變而來，一致性管理短板才是導致事故發生的最主要原因。

因此，要解決上述問題，必須從解決電池組一致性管理問題著手，這才是解決問題的關鍵、核心所在，解決好一致性管理問題，不僅可以預防熱失控發生，還能提高電池組平均容量的利用率，這一結論已經被作者長期開展的各種實驗和應用數據所證實，并且一致性差異越大，平均容量利用率越高。

下面以兩串電池組的高速均衡放電數據為例進行分析，充電均衡和靜態均衡實驗數據及分析略，多串電池組的均衡原理是一樣的，因涉及到級聯和數據向量疊加問題，分析過程較為復雜，占用篇幅較大，本文略。

實驗電池組如下圖所示，綠色18650電池（B1電池）為梯次利用電池，1A放電檢測容量約1Ah，藍色方形電池（B2電池）的1A放電檢測容量為11Ah，容量相差10倍，其它測量設備包括2塊數字萬用表、恒流電子負載、鉗流表、具有自主設計雙向同步整流技術的電池均衡器樣機等。

設定電池組總放電電流5A，當放電總電壓下降至6.0V或單體電池電壓下降至2.75V時結束放電，B1電池由于容量小，無法提供5A的放電電流。但是，在均衡器的介入下，情況發生逆轉，不足的放電電流，全部由B2電池通過電池均衡器轉換進行彌補，來保持電壓均衡，實測均衡電流高達9.08A（存在測量誤差，下同），如圖2所示；B2電池的實際放電電流高達9.82A，如圖3所示；而B1電池的實際放電電流只有0.87A，如圖4所示；

在強大均衡電流的作用下，最大電壓差只有0.11V，B1電池因放電電流適中，溫升始終在正常范圍內，無任何異常，至放電結束，兩塊電池的電量全部放完，并且18650電池的放電電壓仍在安全電壓值以內。

圖2 放電電流5A情況下，均衡電流高達9.08A

圖3 放電電流5A情況下，B2電池的放電電流高達9.82A

圖4 放電電流5A情況下，B1電池的放電電流只有0.87A

通過對放電測量數據進行簡單計算，B1電池的實際放電倍率為0.87/1=0.87C，B2電池的實際放電倍率為9.82/11=0.89C，如果忽略測量誤差，兩塊電池的放電倍率幾乎是相同的，具有特別重要的實際意義，其最大的意義是保證所有不同容量的差異電池，特別是容量衰減電池不易發生過放電，不僅保證衰減電池的放電安全，也有助于延長電池組的實際使用壽命。

本文是以放電均衡實驗數據進行分析和闡述的，等倍率實驗結論同樣適用于均衡充電，受篇幅限制實驗數據及對應實驗照片略。

7、結論

電池組發生一致性問題后，每塊電池的充放電倍率都不相同，一致性劣化越嚴重，則充放電倍率差異越大，而充放電倍率差異的擴大，會進一步加劇電池組的衰減，并有可能引起熱失控故障，高效轉移式實時電池均衡技術的介入和干預，通過對差異電池的電流智能調節，使其具有相同的充放電倍率，差異電池實現電壓相近并同步變化，電池容量得到高效利用，既解決了衰減電池的過充、過放和高溫的難題，避免了熱失控風險，又延長電池組的循環使用壽命。

參考文獻：

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

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

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

 

 

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