单体电池设计寿命和使用寿命较长,但装配成电池组后由于衰减速度的差异引发的一致性和使用寿命短的问题,备受广大科技人员和用户的关注。电池组的一致性问题不仅严重缩短续航时间,输出功率快速下降,严重的还会引发热失控故障甚至事故。引发电池衰减差异的原因非常复杂,既有电池自身(俗称内因)原因引起的衰减差异,也有使用期间的外界因素(俗称外因),特别是充放电电压、充放电电流、温度差异等,外因与内因相互促进,最终导致电池组的快速衰减。其中,外因是电池组快速衰减的重要因素。

电池衰减成因

关于蓄电池,无论使用与否,它都会随着时间的流逝而出现衰减,包括容量的衰减、内阻的增大、自放电率的变化等等。内因关于电池的衰减是缓慢的,接近于日历衰减,与外因引起的衰减速度相比几乎可以忽略不计,外因才是造成电池衰减的重要成因。最重要的影响因素是对电池施加用途的充放电电压、充放电电流以及环境温度,这些因素都会直接影响电池的充电限制电压和放电截止电压,当施加于电池的端电压大于充电限制电压或放电时的端电压低于放电截止电压时,电池会受到不可恢复的损伤,并且这个电压差值越大,电池受到的伤害越重,直至失效或报废。同样,施加于电池的充放电电流也是影响电池电压的重要因素,特别是关于衰减电池的影响非常大,由于容量的降低,在较大的充放电电流下,衰减电池的电压上升速度和下降速度高于正常容量电池,容易导致衰减电池过充电及过放电,过充电和过放电是电池衰减和损坏的杀手。另外,衰减电池的内阻明显高于正常电池,衰减越严重,相对应的内阻越大,在较大充放电电流下,衰减电池的温升加速,温升反过来又加速电池衰减,最终形成恶性循环。

电池组衰减速度高于单体电池的成因及防范策略

评价电池充放电速度快慢有一个专用名词,称之为倍率,倍率反映的是电池充放电速度,涉及到两个重要参数,分别是充放电电流和电池容量,换算公式为:倍率=电流&pide;容量,由此可见,倍率的大小与电池的充放电电流成正比,与电池的容量成反比。在单电池供电设备中,电池的充放电电流或倍率通常处于某一范围内,对充电限制电压和放电截止电压很容易进行控制,不易发生过充电或过放电的情况,因而电池实际使用寿命通常都比较长,而关于多串电池组,在没有任何均衡装置干预的情况下,无法单独控制每一块电池的充电限制电压和放电截止电压,衰减电池极容易进入极端状态而受损,同时对其它电池又出现连锁反应,影响其它电池的正常充放电工作,这种影响是非线性的,几乎呈指数式加速状态,一旦有一块电池受损(实验发现,一次严重的过放电即可造成锂离子电池的严重衰减甚至永久报废),整组电池的容量、性能加速下降。某电池一旦发生衰减,其实际充放电倍率将是组内最高的,这又进一步加快其衰减速度,充电时快速进入过充电状态,放电时又快速进入过放电状态,如此持续几个充放电循环后,衰减电池的容量将急剧下降,内阻急剧上升,内阻引起的内部损耗增大,对整个电池组的负面影响是非常明显的,导致有效放电时间迅速缩短,有效放电容量迅速下降(充电容量也随之下降),输出功率下降,因此,电池组的衰减速度远高于单电池供电设备的电池衰减速度。

根据前面的分析可知,电池组严重衰减后的表现重要有以下几种:一是充放电容量减少;二是充放电时间缩短;三是带负载能力变差;四是充放电温升加速。无论是哪种变化,衰减电池都会通过端电压表现出来,在充放电的情况下,衰减严重的电池与正常电池或衰减轻微电池间的电压差异表现明显,这种差异的表现,实质就是容量差异以及内阻差异的外在表现,体现电池的一致性差异,防范电池组快速衰减就必须解决电池电压的一致性问题,防止电池发生过充电和过放电极端。基于目前的电池管理技术,只有转移式实时电池均衡技术才能实现这一目标。

实验电池组采用退役的锂离子电池组组装,2并4串结构,每2并电池作为一个整体,如图1所示电池组下面的设备为本文锂离子电池均衡器样机。室温环境下的2A放电检测剩余容量分别为1#:2.58Ah,2#:2.09Ah,3#:1.50Ah,4#:2.51Ah,来自多个电池厂商。实际剩余容量分别只有设计容量的58.6%、47.5%、34.1%和57.1%,从实际剩余容量来看,均已达到淘汰标准,整组充电标准为恒流限压充电,恒流充电电流为2A,整组限压16.8V,当任意电池的电压充电至4.20V时,整组电池停止充电。放电标准为2A恒流放电,整组电池放电终止电压限定为12.0V,当任意电池的电压放电至3.00V时,整组电池停止放电,循环均衡充放电次数30次。在正常工作中，负极板上的PbSO4颗粒小，放电很容易恢复为绒状铅，但有的时候电池内部生成了难以还原的硫酸铅，称为硫酸盐化。

引起负极盐化的原因很多，诸如放电后不能及时充电，电池长期搁置，引起严重的自放电，电解液浓度过高，长期充电不足，高温下长期放电，这种硫酸铅用常规方法很难还原，这样活性物质的减少势必影响到水电瓶的容量。