梯次電池與選用

梯次電池是指已經(jīng)使用過并且達(dá)到原生設(shè)計壽命，通過其他方法使其容量全部或部分恢復(fù)繼續(xù)使用的蓄電池。

一般使用5年后的電池，它的有效容量在80%左右。電池的自然衰減進(jìn)入平穩(wěn)期，完全可以按照小容量電池使用，通過一定數(shù)量電池的并聯(lián)使用，可利用容量獲得數(shù)倍的提高，完全滿足儲能和動力要，這一點與電動汽車為了新增續(xù)航里程，采用大量并聯(lián)電池新增電池容量的道理是相同的。

電池組在使用5年后，可用容量和續(xù)航時間明顯縮短，用戶和經(jīng)銷商通常整體更換，殊不知，并不是一個電池組內(nèi)的所有電池都要更換，只是其中的一塊或幾塊電池容量嚴(yán)重衰減影響了整個電池組，假如有多個這樣的電池組，通過檢測剔除嚴(yán)重衰減的電池，其它電池通過分容和內(nèi)阻檢測，完全可以重新梯次利用。動力鋰電池的梯次利用明顯延長電池的使用效率和生命周期，減少電池所帶來的環(huán)境污染，被譽為是目前和今后的重點發(fā)展對象。

動力鋰電池再利用是動力鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈形成閉環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在環(huán)境保護(hù)、資源回收和提高動力鋰電池全壽命周期價值等方面都具有重要價值。退役后的動力鋰電池經(jīng)過測試、篩選、重組等環(huán)節(jié)，仍然有能力用于低速電動汽車、備用電源、電力儲能等運行工況相對良好、對電池性能要求較低的領(lǐng)域。

隨著新能源汽車推廣應(yīng)用力度的不斷加大，每年將出現(xiàn)大量退役電池，動力鋰電池梯次利用的概念應(yīng)運而生并受到廣泛關(guān)注。

梯次電池利用能提高電池的利用率，延長電池的生命周期，無論是節(jié)能方面還是環(huán)保方面意義重大，但是梯次電池利用必須注意一些事項：

1、盡可能采用基本單元電池(cell),如2V單體鉛酸蓄電池，各種鋰離子電池，包括磷酸鐵鋰離子電池、鈦酸鋰離子電池、三元鋰離子電池、鈷酸鋰離子電池、錳酸鋰離子電池等。以多個單元串聯(lián)后封裝一體的電池，如6V鉛酸蓄電池(3個2V單元)和12V鉛酸蓄電池(6個2V單元),不太適合梯次利用，重要是因為這些電池的內(nèi)部為多串電池，自身就存在不均衡的問題，無法通過外部解決。

2、必須遵循同類型電池成組原則。成組電池必須是相同類型的電池，即電池的工作電壓區(qū)間必須相同。工作電壓區(qū)間不同的電池不能出現(xiàn)在同一電池組中，即使容量相同也不能混用。

3、有條件的情況下，成組電池組裝前要進(jìn)行容量、電壓和內(nèi)阻測量，盡可能選擇容量和內(nèi)阻接近的電池，減少復(fù)用期間一致性差異的擴大。由于梯次電池的容量普遍低于標(biāo)稱容量，為獲得足夠的容量，要使用數(shù)量更多的電池通過合適的串并聯(lián)來達(dá)到設(shè)計容量，因此要根據(jù)技術(shù)條件來裝配。

裝配方式一：先并后串，如電動汽車用電池組采用此方式。

裝配方式二：先串后并，常用于數(shù)據(jù)中心或機房。

兩種裝配方式各有優(yōu)缺點，適合不同環(huán)境：

先并后串的缺點：單元電池連接線和匯流排的選擇非常重要，否則會造成電池充放電的差異，個別電池漏電流(或故障)會影響一個并聯(lián)單元，對容量的影響比較大，直接影響續(xù)航時間(里程);優(yōu)點：易于管理，假如新增電池均衡器只要一組(套)即可。

先串后并的優(yōu)點：連接方便，檢修方便，能夠快速檢測和處理故障電池，易于維護(hù)，每一串中的單元電池容量均可以不同，電池利用率高，容量(功率)可以任意擴充，新增后備時間，提高可靠性，特別適合數(shù)據(jù)中心;缺點：假如新增電池均衡器要多組(套)。

4、下列電池不能復(fù)用：一是漏電流大(或自放電率高)的電池;二是外觀發(fā)生形變，如外殼膨脹的電池;三是發(fā)生漏液的電池。

梯次電池均衡

梯次電池的篩選即使非常嚴(yán)格，也難以保證電池的一致性，即使一致性最佳的電池裝配在一起，幾十個充放電循環(huán)后仍然會發(fā)生不同程度的差異，并且這種差異會隨著使用時間的延長逐漸加重，一致性會越來越差，明顯表現(xiàn)為電池間的電壓差逐漸拉大，有效充放電時間越來越短。大量檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，一致性變差的電池組具有如下特點：

1、單元電池的電壓呈現(xiàn)明顯高低錯落、不規(guī)則分布;

2、單元電池的剩余容量大小呈現(xiàn)不規(guī)則離散型分布;

3、單元電池的內(nèi)阻大小同樣呈現(xiàn)不規(guī)則離散型分布。

通過對檢測數(shù)據(jù)的進(jìn)一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，造成電池失衡的最大殺手：

1、電池的溫度差異，電池組的安裝通常都比較密集，每個部位的電池溫度都不相同，影響電池的一致性發(fā)揮，加速電池間差異;

2、劇烈充放電，加速電池間差異的擴大。

儲能電池組的容量都非常大，以標(biāo)稱500Ah電池組為例，假設(shè)電池的最大容量和最小容量的差異是50Ah,其他電池間的差異在5至10Ah不等，則系統(tǒng)的最大有效放電容量為450Ah(暫定其編號為D電池，下同),假設(shè)放電電流50A,則理論最大放電時間約為9h。超過這一時間，D電池將達(dá)到放電截止電壓，進(jìn)入過放電狀態(tài)，假如繼續(xù)放電，將嚴(yán)重傷害D電池，其最大有效容量將急劇減少，從而進(jìn)一步降低電池組的最大有效容量。

這里面還涉及到一個放電倍率的問題，最大容量電池的放電倍率是0.1C,D電池的放電倍率0.11C,其他電池的放電倍率則處于0.1C～0.11C之間，放電倍率的不同，使每塊電池的衰減程度就不同，這將導(dǎo)致電池的差異和一致性逐漸擴大，并且呈加速趨勢。

同樣，充電期間，按0.1C倍率充電，D電池的充電倍率達(dá)到0.11C,處于最大，最先達(dá)到充電限制電壓，繼續(xù)充電將進(jìn)入過充電狀態(tài)，對D電池造成進(jìn)一步的損壞，其他電池充電倍率則為0.1C～0.11C之間，充電倍率的不同將加劇電池的差異和一致性擴大，并且呈加速趨勢。

這樣的電池組，經(jīng)反復(fù)充放電，最終將導(dǎo)致有效容量越來越小，有效放電時間越來越短。大容量儲能電池組還有一個嚴(yán)重問題，那就是熱失控風(fēng)險問題，關(guān)于本電池組，假如不能進(jìn)行有效防控，D電池將可能成為電池組充放電過程中溫度最高的一塊電池，極易發(fā)生熱失控故障，輕則電池徹底報廢，甚至引起電池組故障，重則可能會發(fā)生更加嚴(yán)重的連帶問題，不敢想象。假如電池組在運行期間能維持每一塊電池都不發(fā)生過充電和過放電，那么電池組的有效容量和放電時間就能得到保證，始終處于自然衰減狀態(tài)，由此可見，電池均衡關(guān)于電池組的正常安全運行是多么的至關(guān)重要。

關(guān)于本例中的D電池，假如能將其放電電流自動降至50A以下，如47～48A，不足的2～3A電流自動由其他容量大的電池供應(yīng)，那么總體放電時間就可以超過9h，與其他電池共同到達(dá)放電終點，并且不會發(fā)生過放電;同樣，假如能將其充電電流自動降至50A以下，如47～48A，剩余的2～3A電流自動轉(zhuǎn)移到其他容量大的電池，自動提高大容量電池的充電電流，與其他電池共同到達(dá)充電限制電壓，就不會發(fā)生過放電。由此可見，均衡電流必須要達(dá)到5A以上方可滿足要求，特別是在充放電末期，從均衡原理上，只有轉(zhuǎn)移式電池均衡器才可能勝任。

目前有效的電池均衡技術(shù)進(jìn)展很不平衡，特別是在均衡電流和均衡效率上，盡管有些方法已經(jīng)采用了同步整流技術(shù)，但最大均衡電流多局限在5A以內(nèi)，持續(xù)均衡電流只有1～3A,滿足不了要。由于必須支持雙向均衡，電流轉(zhuǎn)換效率通常也不高，較大均衡電流下的自身發(fā)熱問題仍比較突出，還有一個重要障礙就是設(shè)備成本，由于多數(shù)采用了同步整流芯片，成本新增不少。

高效電池均衡技術(shù)

目前，一種大功率、高效率、實時、動態(tài)轉(zhuǎn)移式電池均衡器技術(shù)已由大慶市交通運輸局的周寶林同志歷經(jīng)多年研制成功。它以國家專利技術(shù)(專利號201220153997.0和201520061849.X)為核心，又融入了自行發(fā)明的雙向同步整流技術(shù)(已申請專利：一種具有雙向同步整流功能的轉(zhuǎn)移式實時電池均衡器，申請?zhí)枺?01710799424.2),這是一種不要同步整流芯片的雙向同步整流技術(shù)，不僅設(shè)備成本大幅度降低，而且將均衡電流和均衡效率大幅度提升。實現(xiàn)了均衡技術(shù)指標(biāo)上的突破，具有以下特點：

1、均衡電流范圍大。均衡電流大就意味著均衡速度非常快，見附表。目前增強版鋰離子電池均衡器已實現(xiàn)均衡電流與電壓差的關(guān)系約為1A/13mV,例如電壓差達(dá)到130mV時，均衡電流可以達(dá)到10A左右，特別有利于高速均衡。

2、均衡效率高。均衡效率高意味著電能的損耗更少，利用率更高，設(shè)備的溫升更低，見表1。

3、實時動態(tài)均衡。電池組靜止?fàn)顟B(tài)下，可以將組內(nèi)最大電壓差控制在10mV以內(nèi)甚至更小(取決于基準(zhǔn)電壓差的設(shè)定),并進(jìn)入微功耗待機檢測狀態(tài)，電池組無論是在充電狀態(tài)，還是在放電狀態(tài)，一旦檢測到電壓差大于基準(zhǔn)電壓差，立即進(jìn)入高速均衡狀態(tài)，實時動態(tài)均衡的最大好處是有效均衡時間長，均衡器的效率最高，其獨特的脈沖技術(shù)對電池具有良好的養(yǎng)護(hù)和容量提升效果，已經(jīng)得到應(yīng)用的檢驗。

使用大電流、高效率電池均衡器能最大限度預(yù)防衰減電池的過充電、過放電以及熱失控故障。即使電池組的容量衰減已形成一致性變差的事實，也能非常好地降低其衰減速度，通過自動強制電壓保持一致性，在一定程度上還能提高電池組的有效容量，延長電池組的循環(huán)使用壽命，特別是明顯減少維修和維護(hù)成本。

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實際使用效果：在24串單體2V170Ah客戶返廠鉛酸蓄電池組上的使用。采用標(biāo)準(zhǔn)17A電流充放電，在無均衡器情況下，充滿電后的最大放電時間約3h,3塊電池放電期間發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重過放電，電壓值低于0.5V,其中1塊電池為-0.1V,出現(xiàn)了極性反轉(zhuǎn)，21塊電池電壓在1.8～2.0V不等，尚有很多電量沒有釋放出來;使用本文的電池均衡器樣機后，標(biāo)準(zhǔn)充放電參數(shù)下，幾個充放電循環(huán)后，放電時間逐漸延長到5.5h左右，提高效能達(dá)80%以上，3塊最差的電池，放電結(jié)束后的電壓全部在1.5V以上，并且放電電壓逐漸上升，特別是當(dāng)初發(fā)熱嚴(yán)重的問題，得到極大改善，溫度降低非常明顯，只有4塊電池的電壓在1.9V左右，其余電池均在1.8V左右，電池電量得到充分、有效釋放。