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控制充放电倍率是衰减电池梯次利用与安全运行的关键

  动力电池   2019-11-13 次浏览

摘要:蓄电池衰减后,额定放电电流下的放电容量下降、内阻上升、通常做报废处理,大量科学研究和实验表明,电池衰减后,虽然在大电流(高倍率)下容量很小,没有继续使用的价值,但在减小放电电流,即减小放电倍率的情况下,衰减电池的放电容量会明显上升,因此,只要对衰减电池降低放电电流使用,仍具有非常高的再利用价值,高效转移式电池均衡技术的介入和自动干预,自动实现了对衰减电池降低充放电电流,提高了衰减电池的实际放电容量,从而提高了衰减电池组的实际放电容量并延长其生命周期。


关键词:电池衰减,放电倍率,电池均衡,等倍率


1、电池容量

电池容量通常是指充满电的蓄电池在一定放电条件下的实际释放电量,通常以mAh或Ah表示。放电条件通常包括放电时的温度、放电电流、放电倍率等。例如,某锂电池在某温度条件下,1A恒流放电,持续放电时间72分钟到达放电终止电压,则该电池的容量为1.2Ah,计算公式为:72/60*1=1.2Ah。


任何蓄电池都有一个共性,容量随着充放电循环次数的增加而减少,俗称衰减,但衰减速度存在明显的个体差异,与环境温度、充放电倍率、电池的自放电率关系密切,电池成组后,电池的位置就基本固定,特别是对于防水性能要求非常高的电池组,如电动汽车用锂电池组。


在大电流充放电和完全密封的环境下,个体间的工作温度差异将一直存在,温度越高衰减速度越快,自然就形成了电池容量衰减速度的差异,最终的表现形式是电池组的一致性变差,放电时间越来越短,放电容量越来越少。


2、锂电池容量与放电倍率的关系

电池的容量与放电倍率有关,所以,蓄电池在标注容量的同时通常都标注放电倍率或小时率,即便不标注,也要求放电电流或放电倍率范围,通常情况下,除特殊高倍率设计的电池外,放电倍率越大,电池的实际放电容量逐渐减少,降低放电倍率,实际放电容量会逐渐上升,但通常不会高于设计容量。


评价电池容量要配合放电倍率指标,因为在不同放电倍率下,电池的实际释放容量是不同的,总的趋势是,放电倍率越大,电池的释放容量越小;降低放电倍率,电池的实际释放容量会增加。同时,这种变化趋势与电池的健康状况密切相关,对于新电池而然,放电倍率对容量的影响相对较小,而对于衰减电池,放电倍率对容量的影响则相对较大,衰减越严重,影响越明显。


2.1正常锂电池在不同放电倍率下的容量表现

由于生产制造工艺的原因,除特殊设计的高功率动力电池外,锂电池通常都限制最大放电电流或放电倍率,以确保容量释放的最大化。对于普通锂电池,允许或者安全的放电倍率通常限制在2C以内,超过这一放电倍率,不仅可释放容量大幅度降低,如图1所示。而且电池会由于内阻的存在而发热严重,容易发生热失控引起锂电池爆炸、火灾等危险。


图1 某型号动力锂电池在不同放电倍率下的放电容量曲线


通过这一放电容量曲线可以看到,锂电池在较低的放电倍率下,容量的释放最充分,最接近理想容量,同时由于放电电流的降低,锂电池的放电温升也降低,放电安全性也大幅度提升。


2.2衰减锂电池在不同放电倍率下的容量表现

下面是一组18650衰减锂电池在不同放电倍率下的检测容量(放电截止电压3.0V),如表1所示,原设计容量均为2.2Ah,均发生不同程度衰减,在不同的放电电流和放电倍率下,实际放电容量发生明显变化。



通过表中的各种测量数据及其规律分析,可以看出,放电倍率对于衰减电池的实际容量影响是非常大的,放电倍率越大,可利用容量越小,随着放电电流和放电倍率的下降,可利用容量均不同程度逐渐提升,衰减越严重的电池,小倍率放电容量上升越明显。图2为1#在三种放电电流下的放电曲线对照图,通过放电曲线对照图可以明显发现衰减电池在不同放电电流下的明显差异,包括放电电压平台变化、放电容量变化等。


图2 1#电池在三种放电电流下的放电曲线对照图


根据这一规律特性,对于衰减电池,只要合理降低其放电电流或放电倍率,那么,衰减电池仍然具有良好的利用价值,仍然可以发挥余热。


3、不同放电倍率容量的意义及应用

通过对不同衰减程度锂电池的放电实验曲线的分析和比较可以发现,在相同的放电电流情况下,衰减电池的放电曲线斜率随着衰减程度的加重呈现负增大,放电倍率也是逐渐增大的,即在负载电流不变的情况下,随着电池衰减的加重,放电时间和放电容量逐渐下降。


既然增大放电倍率会加快衰减电池的衰减速度,减小放电倍率会减弱衰减电池的衰减速度,那么,只要科学、合理地减小衰减电池的放电电流,就可以延长衰减电池的实际放电时间和放电容量,为了验证这一思想,作者开展了衰减电池在不同放电倍率下的连续循环放电试验,结果表明,降低衰减电池的放电电流即放电倍率后,的确可以延长其放电时间和提高实际放电容量,并延缓衰减速度。


连续循环试验数据表明,在降低放电倍率的情况下,衰减电池的实际放电容量均有不同程度的上升,特别是对于高放电倍率下放电容量非常小的锂电池,当大幅度降低放电倍率后,可利用容量大幅度提高,这一试验结果和结论非常具有实际意义。


其最重要的意义和应用价值在于退役电池组的梯次利用。退役后的电池组,尽管大部分电池仍具有梯次利用价值,但受组内衰减报废电池的影响,很多电池的性能已下降很多,无论是剩余容量的下降,还是内阻的上升,都使其无法再进行较大倍率的充放电,只能降低充放电倍率才能安全使用,这是其一;


其二,梯次利用电池组的负载,通常都要求输出较大电流和功率,因此只要将更多的同型号、同类型电池通过多并多串组合,就可以实现合适的电压和功率输出,这种方式不仅可以最大限度地降低每一块梯次电池的放电电流和放电倍率,而且达到延长梯次电池使用寿命的目的。


在电池组的一致性技术问题没有完全解决的情况下,梯次利用将是一个延长电池使用时间和提高利用价值的最好方案。


4、如何实现衰减电池的低倍率充放电

新装配的电池组,无论是放电时间还是功率表现都是最好的,这是因为新电池组的一致性通常都非常好,每一个单元电池的输出功率都基本相同,从而保证了电池组功效的最大化,尽管电池组商家都表示,电池组出厂前都经过了严格的筛选和匹配,一致性非常好,但现实却是残酷的,出厂时一致性再好的电池组,经过若干个充放电循环后都会呈现一致性问题。


少则几十个充放电循环,多则几百个充放电循环,一致性问题就会非常严重,并且愈来愈严重。理论和大量实验数据表明,对于衰减电池,降低其充放电电流或充放电倍率是减缓衰减电池快速衰减的最有效方法。


在目前的电池生产工艺无法解决电池组在使用期间的一致性问题的情况下,唯一可行的解决方案就是通过电池管理技术来解决,具体来说,就是通过电池均衡技术来调节不同容量电池的充放电电流,使之进行全时段等倍率充放电。


多年来,电池均衡技术一直备受关注,并引发一股开发热潮,时至今日,只有三种类型,分别是被动式的电阻放电均衡、主动式的充电均衡和高效率的转移式电池均衡。根据均衡原理,重点要解决的是电流的快速分流功能,电阻放电均衡,电流非常小,一般在100毫安以内,对于大容量电池组效果有限,且无法进行放电均衡,电池易发生过放电问题。


充电均衡技术的均衡电流可以做的比较大,达到几安培以上,但主要缺陷同样是无法解决电池过放电的问题;转移式电池均衡技术则实现了均衡技术的突破,不仅均衡电流大,而且适用于电池工作的全部阶段,堪称最理想的电池组均衡技术。


作者在研发电池均衡技术之初就选择了研发难度最大且最有前途的转移式电池均衡技术,经过多年坚持不懈的技术攻关与不断优化,成功地实现了均衡电流和均衡效率的双重突破,加之研发出特有的双向同步整流技术,使均衡电流最高达到10A以上,均衡效率最高达到97%左右。


例如,目前开发出的20A级单体2V铅酸蓄电池均衡器原型机,在电压平台非常低的不利条件下,即使在20A满负荷情况下,均衡效率仍达到80%左右;而对于锂电池组,在同样的20A均衡电流情况下,均衡效率则达到90%左右。


均衡电流的大幅度提高,意味着对衰减电池的分流能力增强,均衡速度更快,对衰减电池的保护能力更强;均衡效率的提高,意味着电能的利用率更高,对电能的损耗更小,均衡模块的发热量更小,不会增加电池组的温升,这样的高效电池均衡模块设计为高功率动力电池组和储能电池组(包括梯次利用电池组)的高效、安全运行提供了技术上的保障。


5、展望

随着生产工艺水平的提高,单体电池的质量逐渐上升、容量、内阻、电压等一致性逐渐提高,但成组后使用却表现出各种各样的差异,特别是容量、内阻、电压等方面的差异,致使各种电池组大概率地发生一致性问题,并由此引发热失控,进而发生爆炸、火灾等事故,随着电动汽车大量退役电池的产生及梯次利用的重视,似乎为退役电池的合理安置找到了解决出路。


但是由于梯次电池的一致性更差,且一致性问题一直未能在技术上取得突破,梯次利用的电池发生在一致性问题的时间点还会提前,如果管理技术跟不上,同样还会发生诸如热失控、爆炸、起火等事故,高效电池均衡技术的研发成功,极大地提高了电池组运行的一致性,从而提高了运行的安全性,也更明显地延长电池组的循环使用寿命。可以说,这种高效电池均衡技术为电池组的高效安全运行提供了一种智能化的管理手段。


参考文献

[1]周宝林、周全:一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器

[2]周宝林、周全:转移式电池均衡技术对电池电压与荷电量影响的研究

[3]周宝林、周全:双向同步整流技术在转移式实时电池均衡器中的研究与应用

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