专题

差异化电流控制是解决电池组一致性管理难题的关键

作者: 文/周宝林 周全 来源:《动力电池》杂志9月刊 时间:2019-10-09

[摘要]电池组发生一致性问题后,衰减电池的充放电倍率大于未衰减电池,衰减越严重,充放电倍率差异越大,不仅加大衰减电的温升,诱发热失控风险,而且加剧电池组的进一步衰减速度。转移式实时电池均衡技术其特有的电流高速调节特性,能有降低组内衰减电池的充放电电流,调节充放电倍率,降低衰减电池的温升,实验及应用表明,控制一致性问题效果明显。

关键词:一致性,衰减,倍率,均衡


1、倍率


倍率是指蓄电池的充放电流与实际容量的比值。单位是C,它包括充电倍率和放电倍率,倍率的大小反映的是电池充放电速度的快慢,倍率数值越大,电池充放电速度越快,过大的充放电倍率严重影响电池的充放电容量和循环使用寿命。


当倍率降低时,电池的充放电速度会降低,充放电时间会延长,但充放电容量相对稳定,有利于延长电池的循环使用寿命。图1为某型号动力锂电池在不同放电倍率下的放电曲线,鲜明地反映出放电倍率但电池容量、电压的影响。


图1 动力锂电池在不同放电倍率下的放电曲线


充放电倍率除了明显影响充放电时间、容量和循环寿命外,还会明显影响电池的温升,因为锂电池都是有内阻的,通常从几毫欧至几十毫欧不等,额定容量越大,通常内阻越小。


当电池发生容量衰减后,内阻上升,上升幅度与电池的衰减程度有关,衰减越严重,内阻上升幅度越大,内阻的上升,不仅影响电池的功率发挥,更会严重影响电池在充放电时的温升,温升如果得不到有效控制,就容易引发热失控,最终导致电池的自燃、爆炸、着火等事故。


2、发热分析


电池的发热功率可以用公式P=I2·r来表示,其中P表示发热功率,I是充放电电流,r是电池的内阻,通过公式可知。发热功率既与电流的平方成正比,也与内阻的大小成正比。通过对大量18650型号的衰减锂电池内阻检测发现,衰减锂电池的内阻通常都在八、九十毫欧以上,甚至高达几百毫欧。


下面以电动汽车动力锂电池组为例进行分析和阐述。假设电池组的设计容量是50KWh,额定电压为500V,则单元电池的平均容量为100Ah,当对电池组采取快充方式充电时,充电功率通常在200KW以上,对于本电池组,平均充电电流将高达400A,假设某单元电池的内阻是5毫欧,则该单元的持续发热功率高达P=I2·r=400*400*0.005=800W,对于容量100Ah的电池来说,发热功率有些太大。


而且这只是其中的一个单元电池的发热功率,如果热管理系统和散热功能不佳,在较短的时间内该单元的温度就会快速上升,形成高温,热失控风险加大,如果将充电机功率下调至50KW,则平均充电电流降至100A,相当于1C的充电电流,对应的发热功率P=I2·r=100*100*0.005=50W,发热量大幅度,热失控风险随时大幅度下降,简单的计算可以发现,快充对于电池组的充电安全会造成非常大的热失控风险。


3、一致性问题表现及控制思想


电池组一致性问题是外因借助内因的影响逐渐扩大和加重的,有一个循序渐进的过程,可实时监控和测量的参数主要是实时电压、实时内阻和实时温度的变化,包括绝对值变化和相对值变化,绝对值变化反映的是电池的剩余SOC等情况,相对值变化反映的是电池间的差异,即一致性差异及劣化情况。


电池最惧怕的操作是充电时的被过充电和放电时的被过放电,这两个极端是电池组使用寿命快速缩短的根源,电池组的安全运行管理必须从根本上解决这两个极端,使之避免发生。


充电期间,电池组中的小容量电池电压上升速度快,大容量电池电压上升速度慢,电压上升速度的差异,会使小容量电池容易发生过充电,大容量电池则长期无法充满电,解决这两个问题的技术思思路是通过外围电路的介入和干预,让小容量电池的充电电流减少一点,使其电压上升速度慢一点,同时适当增加大容量电池的充电电流,使其电压上升速度快一点。


事实证明,只要减少的电流和增大的电流处于合理比例状态,那么,大小容量电池的电压上升速度就会基本相同,或者称之为同步,不仅可以解决小容量电池的过充电问题,也可以让大容量电池也能够充满电。


同样,放电期间,大容量电池的电压下降速度慢,小容量电池的电压下降速度快,电压下降速度的差异,会使小容量电池容易发生过放电,而大容量电池的容量无法释放完,造成容量的浪费,无法得到有效利用,解决上述问题的技术路是通过外围电路的介入和干预,增加大容量电池的放电电流,使其电压下降速度稍快一点,适当降低小容量电池的放电电流,使其电压下降速度慢一点。


大容量电池放电电流的增量,要转换为小容量电池放电电流的缩量,提高电能的利用率,只要增加的电流和减少的电流处于合理比例状态,大小容量电池的电压下降速度就会基本同步,不仅可以解决小容量电池的被过放电问题,也可以保证大容量电池的容量充分利用。


上述思想中的一增一降其实质就是对电池进行差异化电流调节,即电池均衡。容量大的电池提高其充放电电流,容量小的电池降低其充放电电流,提高与降低之间存在关联关系,与电池间的差异程度有关,差异大则提高与降低的电流绝对值大。差异小,则提高与降低的电流绝对值小,具体多大合适,需要电池均衡设备根据自身均衡能力进行自动调节,因此要求电池均衡器应具有均衡电流自动调节功能。


4、电池均衡技术发展情况


电池均衡技术发展一直远远滞后于电池的发展速度,特别是高性能、高效率的实时电池均衡技术,发展更是相对缓慢,技术突破较为困难。


目前电池均衡技术主要有三类。第一类是采用开关管加电阻式的被动放电均衡技术,只能用于充电均衡,由于电阻发热的原因,均衡电流通常在100毫安以内,只适用于一致性较好的电池组,如果电池组的一致性较差,均衡效果会大打折扣,如果充电电流较大,则过充电问题依旧存在,易导致衰减电池过放电,加重一致性差异。


第二类是具有一定电流转移能力的充电均衡器,相比第一类,均衡电流较大,效率较高,属于主动均衡范畴,对解决过充能力较强,但同样存在不支持放电均衡和静态均衡的短板,过放问题依旧存在,还不是真正意义上的电池均衡器。


第三类是全面支持充电均衡、放电均衡和静态均衡的纯主动均衡技术,俗称转移式电池均衡技术,又细分为并联均衡技术和串联均衡技术,是两种完全不同的技术路线、技术方案,差异很大,适用场景也不同,目前这类电池均衡技术的均衡性能、效率最佳,但技术复杂,成本较高,需要在保证提高性能的前提下,进一步进行技术升级和优化,降低设备成本。


5、安全运行是关键


随着对电池储能技术和电动汽车的旺盛需求,出于安全管理的需要,人们对电池均衡的需求和要求越来越高,迫切需求解决电池组的一致性管理难题,及其引发的热失控风险,毕竟对于高功率电池组而言,安全运行才是第一位的。


据报道,自2018年5月以来,韩国储能行业发生的23起严重火灾,有20起是在充电后和充放电过程中发生的,占比高达87%;另据官方机构统计,2018年我国新能源汽车起火事件至少发生40起,2019年以来,新能源汽车起火事件依然频发,在4月21日至4月24日的四天时间内连续发生三起起火事故。


与此同时,新能源整车召回事件也频发,其中因电池安全而引起的召回较2018年明显增多。业内人士认为,电池安全管理缺陷,特别是一致性管理难题导致电动车辆在使用过程中发生电池包内部过热,存在热失控起火的安全隐患,是需要重点攻克和解决的难题。频繁的电池安全事故,使人们对电池的使用安全问题饱受诟病,质疑声不断,问题的主要焦点是电池的安全性问题。


通过对大量故障电池组的检测分析发现,因电池自身原因造成的事故只占很小的比例,如漏液、内部短路,通常与电池的生产质量有关,绝大多数都是由于一致性管理技术不好造成的,一致性问题劣化后,会造成多种故障,如前所述的高温、爆炸、起火等,都可以由一致性问题劣化演变而来,一致性管理短板才是导致事故发生的最主要原因。


因此,要解决上述问题,必须从解决电池组一致性管理问题着手,这才是解决问题的关键、核心所在,解决好一致性管理问题,不仅可以预防热失控发生,还能提高电池组平均容量的利用率,这一结论已经被作者长期开展的各种实验和应用数据所证实,并且一致性差异越大,平均容量利用率越高。


6、实例及分析


下面以两串电池组的高速均衡放电数据为例进行分析,充电均衡和静态均衡实验数据及分析略,多串电池组的均衡原理是一样的,因涉及到级联和数据向量叠加问题,分析过程较为复杂,占用篇幅较大,本文略。


实验电池组如下图所示,绿色18650电池(B1电池)为梯次利用电池,1A放电检测容量约1Ah,蓝色方形电池(B2电池)的1A放电检测容量为11Ah,容量相差10倍,其它测量设备包括2块数字万用表、恒流电子负载、钳流表、具有自主设计双向同步整流技术的电池均衡器样机等。


设定电池组总放电电流5A,当放电总电压下降至6.0V或单体电池电压下降至2.75V时结束放电,B1电池由于容量小,无法提供5A的放电电流。但是,在均衡器的介入下,情况发生逆转,不足的放电电流,全部由B2电池通过电池均衡器转换进行弥补,来保持电压均衡,实测均衡电流高达9.08A(存在测量误差,下同),如图2所示;B2电池的实际放电电流高达9.82A,如图3所示;而B1电池的实际放电电流只有0.87A,如图4所示;


在强大均衡电流的作用下,最大电压差只有0。11V,B1电池因放电电流适中,温升始终在正常范围内,无任何异常,至放电结束,两块电池的电量全部放完,并且18650电池的放电电压仍在安全电压值以内。


图2 放电电流5A情况下,均衡电流高达9。08A


图3 放电电流5A情况下,B2电池的放电电流高达9。82A


图4 放电电流5A情况下,B1电池的放电电流只有0.87A


通过对放电测量数据进行简单计算,B1电池的实际放电倍率为0。87/1=0。87C,B2电池的实际放电倍率为9。82/11=0。89C,如果忽略测量误差,两块电池的放电倍率几乎是相同的,具有特别重要的实际意义,其最大的意义是保证所有不同容量的差异电池,特别是容量衰减电池不易发生过放电,不仅保证衰减电池的放电安全,也有助于延长电池组的实际使用寿命。


本文是以放电均衡实验数据进行分析和阐述的,等倍率实验结论同样适用于均衡充电,受篇幅限制实验数据及对应实验照片略。


7、结论


电池组发生一致性问题后,每块电池的充放电倍率都不相同,一致性劣化越严重,则充放电倍率差异越大,而充放电倍率差异的扩大,会进一步加剧电池组的衰减,并有可能引起热失控故障,高效转移式实时电池均衡技术的介入和干预,通过对差异电池的电流智能调节,使其具有相同的充放电倍率,差异电池实现电压相近并同步变化,电池容量得到高效利用,既解决了衰减电池的过充、过放和高温的难题,避免了热失控风险,又延长电池组的循环使用寿命。


参考文献:

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

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

周宝林、周全:转移式实时电池均衡技术对衰减电池组容量和温升的影响

 

 

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