充電均衡只能解決電池組充滿電的問題,實際釋放電量仍取決于電池組中的最小容量電池,而放電均衡則解決了所有電池容量統一調配的難題,可以實現容量安全利用的最大化、最佳化,本文通過兩串電池組的實際均衡放電數據詮釋了均衡放電的重要性。

電池組的一致性問題

電池組的一致性問題永遠是電池管理界永遠揮之不去的痛，一致性問題不僅使電池組的實際放電容量降低，影響設備的功率輸出和續航時間,嚴重時還有可能發生“熱失控”問題，導致故障的發生。

基于安全放電的原則,電池組的可釋放電量取決于電池組中容量最小的電池,類似于“木桶效應”。電池的串數越多,影響越大。以100串100Ah鋰離子電池組為例,假如有一串電池的容量下降到只有80Ah,那么,該電池組的可利用容量只有80Ah,大約20Ah的容量無法利用,相當于1/5的容量都浪費了,無法得到利用,非常可惜。衰減電池的實際充放電倍率將高于電池組的平均電流,衰減進入加速通道,并形成惡性循環。惡性循環的結果是,電池組的容量迅速下降,而且伴隨嚴重的熱失控風險。

現在,全世界都在通過技術研發提高鋰離子電池的單位容量,但限于技術等原因,進展緩慢,而已有的大容量電池組的容量又由于一致性問題有效容量得不到充分利用,除了電池生產因素導致的電池差異外,使用期間的溫度、大電流充放電和電池管理跟不上都會導致這一問題的發生。

放電容量的下降與之對應的就是充電容量同樣下降,假如是車用電池組,則表現為電池衰減嚴重,續航里程嚴重縮水。

電池均衡技術的難點

就目前的電池管理技術,能夠解決電池組一致性問題的技術只有電池均衡技術。而要實現電池容量的充分利用,則必須要求電池均衡器同時支持放電均衡、充電均衡和靜態均衡,此外,由于不同容量電池的存在,充放電末期存在較高的電壓差,因此,電池均衡器還必須具有寬幅的均衡電流和高效的電能轉換效率,既能實現高效均衡又能減少在充分利用容量期間的損失。

好消息是,具有這種技術要求的電池均衡技術已經被作者歷經多年攻關研發出來,經過不間斷的持續改進,性能越來越好,很小的電壓差就可以獲得非常大的均衡電流,5A以內均衡電流的設計,可以實現1A/13mV;10～15A均衡電流的設計,可以實現1A/10mV,從而實現高速均衡,該技術的鮮明優勢是同時支持高速放電均衡和高速充電均衡,這是很多電池均衡器技術不具備的。在高速放電均衡期間,大容量電池多釋放的電池容量不經過小容量電池,而是直接進入放電通道對負載供電,小容量電池由于實際放電電流降低,因內阻原因引起的電池溫升大幅度降低,也降低了熱失控的風險。

高速放電均衡最重要的意義在于能發揮電池容量的最大功效,讓應該做功的容量全部利用起來,例如本例的99串20Ah容量,而不是讓其閑置不用。真正意義上的高速放電均衡包含多方面的含義:實時均衡、支持大電流均衡、電能轉換效率要高。

仍以本例電池組為例,假設電池組的放電電流為0.2C,即20A,那么,本文均衡器的最大均衡電流只要達到4.5～5.0A即可滿足該電池組安全放電、并且所有20Ah的電量都可以正常釋放的要。同樣,假如電池組的放電電流提高到0.4C,即40A,則最大均衡電流要9～9.5A,普通電池均衡器是無法滿足要求的，而本文采用的同步整流技術的實時高功率、高效率轉移式電池均衡器則可以輕松應對。

均衡電流越大,對小容量電池的過充、過放電保護能力越強,電池組的運行越安全,允許電池間的差異越大。

高速放電均衡實例

高速放電均衡最重要的用途是對大容量電池進行放電電流分流,彌補小容量電池放電能力的不足,下面通過一組容量非常懸殊的電池組的均衡充放電實例及數據進行分析,由于電池容量差異巨大,因此,在大電流均衡充放電情況下,兩塊電池的的實際充放電電流差異非常大,差異非常明顯。

圖1所示的為實驗裝置電池組,18650電池(B1電池)的容量只有1Ah,藍色方形電池(B2電池)的容量高達11Ah,容量差高達10Ah,相差10倍,當前總放電電流5A,鉗形電流表下面的裝置是本文所述高效大功率均衡器樣機,采用的是獨創的“雙向同步整流技術”(見附件“影響電池均衡電流和均衡效率的瓶頸及解決方法——雙向同步整流技術”),在均衡器的介入下,均衡電流則高達9.08A(存在測量誤差,下同),如圖1所示;方形鋰離子電池的實際放電電流高達9.82A,如圖2所示;而18650電池的實際放電電流只有0.87A,如圖3所示,在強大均衡電流的用途下,最大電壓差只有0.11V,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。

高速充電均衡實例

這種電池均衡技術,不僅支持高速放電均衡,而且支持高速充電均衡,仍以上述電池組為例,同樣以5A恒流充電至自動切換恒壓充電期間,本應通過B1電池的的5A電流,實測最大充電電流只有0.84A左右,如圖4所示;而B2電池的實測充電電流高達8.8A左右,如圖5所示;最大均衡電流實測高達7.97A左右,這一數值正好接近于兩塊電池的實際充電電流的差值,如圖6所示。

均衡充電期間,兩塊電池的電壓上升速度也基本相同,最大電壓差只有0.11V左右,B1電池的最高電壓也只有4.23V左右,始終處于安全電壓以內,均衡器樣機在持續大電流均衡的情況下只有微量的溫升,這就是樣機采用ABS塑料機殼的原因。

結束語

電池組的實際放電容量與初始容量的比值反映了電池組的運行效率,這一比值越大,說明電池組的健康狀況越好,充電均衡技術只能讓電池組充滿電,實際放電容量取決于容量最小的電池,而放電均衡的介入和干預,將電池容量的利用實現了最大化、最佳化,可以說,放電均衡決定了電池組的最大放電容量和能力,更具有實際意義。

作者簡介

周寶林:男,1968年生,高級工程師,工程碩士,長期從事電池均衡技術研究,擁有多項電池均衡技術專利。