充电均衡只能解决电池组充满电的问题,实际释放电量仍取决于电池组中的最小容量电池,而放电均衡则解决了所有电池容量统一调配的难题,可以实现容量安全利用的最大化、最佳化,本文通过两串电池组的实际均衡放电数据诠释了均衡放电的重要性。

电池组的一致性问题

电池组的一致性问题永远是电池管理界永远挥之不去的痛，一致性问题不仅使电池组的实际放电容量降低，影响设备的功率输出和续航时间,严重时还有可能发生“热失控”问题，导致故障的发生。

基于安全放电的原则,电池组的可释放电量取决于电池组中容量最小的电池,类似于“木桶效应”。电池的串数越多,影响越大。以100串100Ah锂离子电池组为例,假如有一串电池的容量下降到只有80Ah,那么,该电池组的可利用容量只有80Ah,大约20Ah的容量无法利用,相当于1/5的容量都浪费了,无法得到利用,非常可惜。衰减电池的实际充放电倍率将高于电池组的平均电流,衰减进入加速通道,并形成恶性循环。恶性循环的结果是,电池组的容量迅速下降,而且伴随严重的热失控风险。

现在,全世界都在通过技术研发提高锂离子电池的单位容量,但限于技术等原因,进展缓慢,而已有的大容量电池组的容量又由于一致性问题有效容量得不到充分利用,除了电池生产因素导致的电池差异外,使用期间的温度、大电流充放电和电池管理跟不上都会导致这一问题的发生。

放电容量的下降与之对应的就是充电容量同样下降,假如是车用电池组,则表现为电池衰减严重,续航里程严重缩水。

电池均衡技术的难点

就目前的电池管理技术,能够解决电池组一致性问题的技术只有电池均衡技术。而要实现电池容量的充分利用,则必须要求电池均衡器同时支持放电均衡、充电均衡和静态均衡,此外,由于不同容量电池的存在,充放电末期存在较高的电压差,因此,电池均衡器还必须具有宽幅的均衡电流和高效的电能转换效率,既能实现高效均衡又能减少在充分利用容量期间的损失。

好消息是,具有这种技术要求的电池均衡技术已经被作者历经多年攻关研发出来,经过不间断的持续改进,性能越来越好,很小的电压差就可以获得非常大的均衡电流,5A以内均衡电流的设计,可以实现1A/13mV;10～15A均衡电流的设计,可以实现1A/10mV,从而实现高速均衡,该技术的鲜明优势是同时支持高速放电均衡和高速充电均衡,这是很多电池均衡器技术不具备的。在高速放电均衡期间,大容量电池多释放的电池容量不经过小容量电池,而是直接进入放电通道对负载供电,小容量电池由于实际放电电流降低,因内阻原因引起的电池温升大幅度降低,也降低了热失控的风险。

高速放电均衡最重要的意义在于能发挥电池容量的最大功效,让应该做功的容量全部利用起来,例如本例的99串20Ah容量,而不是让其闲置不用。真正意义上的高速放电均衡包含多方面的含义:实时均衡、支持大电流均衡、电能转换效率要高。

仍以本例电池组为例,假设电池组的放电电流为0.2C,即20A,那么,本文均衡器的最大均衡电流只要达到4.5～5.0A即可满足该电池组安全放电、并且所有20Ah的电量都可以正常释放的要。同样,假如电池组的放电电流提高到0.4C,即40A,则最大均衡电流要9～9.5A,普通电池均衡器是无法满足要求的，而本文采用的同步整流技术的实时高功率、高效率转移式电池均衡器则可以轻松应对。

均衡电流越大,对小容量电池的过充、过放电保护能力越强,电池组的运行越安全,允许电池间的差异越大。

高速放电均衡实例

高速放电均衡最重要的用途是对大容量电池进行放电电流分流,弥补小容量电池放电能力的不足,下面通过一组容量非常悬殊的电池组的均衡充放电实例及数据进行分析,由于电池容量差异巨大,因此,在大电流均衡充放电情况下,两块电池的的实际充放电电流差异非常大,差异非常明显。

图1所示的为实验装置电池组,18650电池(B1电池)的容量只有1Ah,蓝色方形电池(B2电池)的容量高达11Ah,容量差高达10Ah,相差10倍,当前总放电电流5A,钳形电流表下面的装置是本文所述高效大功率均衡器样机,采用的是独创的“双向同步整流技术”(见附件“影响电池均衡电流和均衡效率的瓶颈及解决方法——双向同步整流技术”),在均衡器的介入下,均衡电流则高达9.08A(存在测量误差,下同),如图1所示;方形锂离子电池的实际放电电流高达9.82A,如图2所示;而18650电池的实际放电电流只有0.87A,如图3所示,在强大均衡电流的用途下,最大电压差只有0.11V,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。

高速充电均衡实例

这种电池均衡技术,不仅支持高速放电均衡,而且支持高速充电均衡,仍以上述电池组为例,同样以5A恒流充电至自动切换恒压充电期间,本应通过B1电池的的5A电流,实测最大充电电流只有0.84A左右,如图4所示;而B2电池的实测充电电流高达8.8A左右,如图5所示;最大均衡电流实测高达7.97A左右,这一数值正好接近于两块电池的实际充电电流的差值,如图6所示。

均衡充电期间,两块电池的电压上升速度也基本相同,最大电压差只有0.11V左右,B1电池的最高电压也只有4.23V左右,始终处于安全电压以内,均衡器样机在持续大电流均衡的情况下只有微量的温升,这就是样机采用ABS塑料机壳的原因。

结束语

电池组的实际放电容量与初始容量的比值反映了电池组的运行效率,这一比值越大,说明电池组的健康状况越好,充电均衡技术只能让电池组充满电,实际放电容量取决于容量最小的电池,而放电均衡的介入和干预,将电池容量的利用实现了最大化、最佳化,可以说,放电均衡决定了电池组的最大放电容量和能力,更具有实际意义。

作者简介

周宝林:男,1968年生,高级工程师,工程硕士,长期从事电池均衡技术研究,拥有多项电池均衡技术专利。