高效电池均衡器技术在梯次储能蓄电池中的应用

电池均衡技术可提高电池组的使用寿命、延长电池组的使用时间,适用于大容量镍氢、2V铅酸电池、锂电池、6V铅酸、12V铅酸等电池组以及超级电容器组。

梯次电池与选用

梯次电池是指已经使用过并且达到原生设计寿命,通过其他方法使其容量全部或部分恢复继续使用的蓄电池。

一般使用5年后的电池,它的有效容量在80%左右。电池的自然衰减进入平稳期,完全可以按照小容量电池使用,通过一定数量电池的并联使用,可利用容量获得数倍的提高,完全满足储能和动力需要,这一点与电动汽车为了增加续航里程,采用大量并联电池增加电池容量的道理是相同的。

电池组在使用5年后，可用容量和续航时间明显缩短，用户和经销商通常整体更换，殊不知,并不是一个电池组内的所有电池都需要更换，只是其中的一块或几块电池容量严重衰减影响了整个电池组，如果有多个这样的电池组，通过检测剔除严重衰减的电池，其它电池通过分容和内阻检测,完全可以重新梯次利用。动力电池的梯次利用明显延长电池的使用效率和生命周期，减少电池所带来的环境污染，被誉为是目前和今后的重点发展对象。

动力电池再利用是动力电池产业链形成闭环的关键环节,在环境保护、资源回收和提高动力电池全寿命周期价值等方面都具有重要价值。退役后的动力电池经过测试、筛选、重组等环节,仍然有能力用于低速电动车、备用电源、电力储能等运行工况相对良好、对电池性能要求较低的领域。

随着新能源汽车推广应用力度的不断加大,每年将产生大量退役电池,动力电池梯次利用的概念应运而生并受到广泛关注。

梯次电池利用能提高电池的利用率,延长电池的生命周期,无论是节能方面还是环保方面意义重大,但是梯次电池利用必须注意一些事项:

1 尽可能采用基本单元电池(cell),如2V单体铅酸蓄电池,各种锂电池,包括磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池等。以多个单元串联后封装一体的电池,如6V铅酸蓄电池(3个2V单元)和12V铅酸蓄电池(6个2V单元),不太适合梯次利用,主要是因为这些电池的内部为多串电池,自身就存在不均衡的问题,无法通过外部解决。

2 必须遵循同类型电池成组原则。成组电池必须是相同类型的电池,即电池的工作电压区间必须相同。工作电压区间不同的电池不能出现在同一电池组中,即使容量相同也不能混用。

3 有条件的情况下,成组电池组装前要进行容量、电压和内阻测量,尽可能选择容量和内阻接近的电池,减少复用期间一致性差异的扩大。

由于梯次电池的容量普遍低于标称容量,为获得足够的容量,需要使用数量更多的电池通过合适的串并联来达到设计容量,因此需要根据技术条件来装配。

装配方式一:先并后串,如电动汽车用电池组采用此方式。

装配方式二:先串后并,常用于数据中心或机房。

两种装配方式各有优缺点,适合不同环境:

先并后串的缺点:单元电池连接线和汇流排的选择非常重要,否则会造成电池充放电的差异,个别电池漏电流(或故障)会影响一个并联单元,对容量的影响比较大,直接影响续航时间(里程);优点:易于管理,如果增加电池均衡器只需要一组(套)即可。

先串后并的优点:连接方便,检修方便,能够快速检测和处理故障电池,易于维护,每一串中的单元电池容量均可以不同,电池利用率高,容量(功率)可以任意扩充,增加后备时间,提高可靠性,特别适合数据中心;缺点:如果增加电池均衡器需要多组(套)。

4 下列电池不能复用:一是漏电流大(或自放电率高)的电池;二是外观发生形变,如外壳膨胀的电池;三是发生漏液的电池。

梯次电池均衡

梯次电池的筛选即使非常严格,也难以保证电池的一致性,即使一致性极佳的电池装配在一起,几十个充放电循环后仍然会发生不同程度的差异,并且这种差异会随着使用时间的延长逐渐加重,一致性会越来越差,明显表现为电池间的电压差逐渐拉大,有效充放电时间越来越短。大量检测数据发现,一致性变差的电池组具有如下特点:

1 单元电池的电压呈现明显高低错落、不规则分布;

2 单元电池的剩余容量大小呈现不规则离散型分布;

3 单元电池的内阻大小同样呈现不规则离散型分布。

通过对检测数据的进一步统计发现,造成电池失衡的最大杀手：

1 电池的温度差异,电池组的安装通常都比较密集,每个部位的电池温度都不相同,影响电池的一致性发挥,加速电池间差异;

2 剧烈充放电,加速电池间差异的扩大;

储能电池组的容量都非常大,以标称500Ah电池组为例,假设电池的最大容量和最小容量的差异是50Ah,其他电池间的差异在5至10Ah不等,则系统的最大有效放电容量为450Ah(暂定其编号为D电池,下同),假设放电电流50A,则理论最大放电时间约为9h。超过这一时间,D电池将达到放电截止电压,进入过放电状态,如果继续放电,将严重伤害D电池,其最大有效容量将急剧减少,从而进一步降低电池组的最大有效容量。这里面还涉及到一个放电倍率的问题,最大容量电池的放电倍率是0.1C,D电池的放电倍率0.11C,其他电池的放电倍率则处于0.1C～0.11C之间,放电倍率的不同,使每块电池的衰减程度就不同,这将导致电池的差异和一致性逐渐扩大,并且呈加速趋势。同样,充电期间,按0.1C倍率充电,D电池的充电倍率达到0.11C,处于最大,最先达到充电限制电压,继续充电将进入过充电状态,对D电池造成进一步的损坏,其他电池充电倍率则为0.1C～0.11C之间,充电倍率的不同将加剧电池的差异和一致性扩大,并且呈加速趋势。这样的电池组,经反复充放电,最终将导致有效容量越来越小,有效放电时间越来越短。大容量储能电池组还有一个严重问题,那就是热失控风险问题,对于本电池组,如果不能进行有效防控,D电池将可能成为电池组充放电过程中温度最高的一块电池,极易发生热失控故障,轻则电池彻底报废,甚至引起电池组故障,重则可能会发生更加严重的连带问题,不敢想象。如果电池组在运行期间能维持每一块电池都不发生过充电和过放电,那么电池组的有效容量和放电时间就能得到保证,始终处于自然衰减状态,由此可见,电池均衡对于电池组的正常安全运行是多么的至关重要。

对于本例中的D电池，如果能将其放电电流自动降至50A以下，如47～48A，不足的2～3A电流自动由其他容量大的电池提供，那么总体放电时间就可以超过9h，与其他电池共同到达放电终点，并且不会发生过放电;同样，如果能将其充电电流自动降至50A以下，如47～48A，剩余的2～3A电流自动转移到其他容量大的电池，自动提高大容量电池的充电电流，与其他电池共同到达充电限制电压，就不会发生过放电。由此可见，均衡电流必须要达到5A以上方可满足要求，特别是在充放电末期，从均衡原理上，只有转移式电池均衡器才可能胜任。

目前有效的电池均衡技术进展很不平衡,特别是在均衡电流和均衡效率上,尽管有些方案已经采用了同步整流技术,但最大均衡电流多局限在5A以内,连续均衡电流只有1～3A,满足不了需要。由于必须支持双向均衡,电流转换效率通常也不高,较大均衡电流下的自身发热问题仍比较突出,还有一个重要障碍就是设备成本,由于多数采用了同步整流芯片,成本增加不少。

高效电池均衡技术

目前,一种大功率、高效率、实时、动态转移式电池均衡器技术已由大庆市交通运输局的周宝林同志历经多年研制成功。它以国家专利技术(专利号201220153997.0和201520061849.X)为核心,又融入了自行发明的双向同步整流技术(已申请专利:一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器,申请号:201710799424.2),这是一种不需要同步整流芯片的双向同步整流技术,不仅设备成本大幅度降低,而且将均衡电流和均衡效率大幅度提升。实现了均衡技术指标上的突破,具有以下特点:

1 均衡电流范围大。均衡电流大就意味着均衡速度非常快,见附表。目前增强版锂电池均衡器已实现均衡电流与电压差的关系约为1A/13mV,例如电压差达到130mV时,均衡电流可以达到10A左右,特别有利于高速均衡。

2  均衡效率高。均衡效率高意味着电能的损耗更少,利用率更高,设备的温升更低,见表1。

3 实时动态均衡。电池组静止状态下,可以将组内最大电压差控制在10mV以内甚至更小(取决于基准电压差的设定),并进入微功耗待机检测状态,电池组无论是在充电状态,还是在放电状态,一旦检测到电压差大于基准电压差,立即进入高速均衡状态,实时动态均衡的最大好处是有效均衡时间长,均衡器的效率最高,其独特的脉冲技术对电池具有良好的养护和容量提升效果,已经得到应用的检验。

使用大电流、高效率电池均衡器能最大限度预防衰减电池的过充电、过放电以及热失控故障。即使电池组的容量衰减已形成一致性变差的事实,也能非常好地降低其衰减速度,通过自动强制电压保持一致性,在一定程度上还能提高电池组的有效容量,延长电池组的循环使用寿命,特别是明显减少维修和维护成本。

实际使用效果:在24串单体2V170Ah客户返厂铅酸蓄电池组上的使用。采用标准17A电流充放电,在无均衡器情况下,充满电后的最大放电时间约3h,3块电池放电期间发热严重,严重过放电,电压值低于0.5V,其中1块电池为-0.1V,出现了极性反转,21块电池电压在1.8～2.0V不等,尚有很多电量没有释放出来;使用本文的电池均衡器样机后,标准充放电参数下,几个充放电循环后,放电时间逐渐延长到5.5h左右,提高效能达80%以上,3块最差的电池,放电结束后的电压全部在1.5V以上,并且放电电压逐渐上升,特别是当初发热严重的问题,得到极大改善,温度降低非常明显,只有4块电池的电压在1.9V左右，其余电池均在1.8V左右，电池电量得到充分、有效释放。图1为实验电池组。

作者简介

周宝林(1968-),男,高级工程师,工程硕士,长期从事电池保护技术研究,拥有多项电池管理方面专利。