大電流充放電對(duì)電池組運(yùn)行、熱失控的影響及防范措施
時(shí)間:2019-11-19 10:28來源:《動(dòng)力電池》雜志2019年10月刊 作者:周寶林 周全
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[摘要]大功率、大容量電池組的充放電電流通常都非常大，電池內(nèi)阻的存在會(huì)使電池在充放電時(shí)發(fā)熱，當(dāng)電池發(fā)生較為明顯的衰減后，內(nèi)阻增大，發(fā)熱量增加明顯，熱失控風(fēng)險(xiǎn)加大，傳統(tǒng)的被動(dòng)均衡和充電均衡由于自身技術(shù)缺陷，分流能力弱，難以滿足抑制熱失控的需要，而轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)其特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，自動(dòng)調(diào)節(jié)電池的充放電電流，降低衰減電池的充放電溫升，擬制熱失控作用明顯，實(shí)例表明，這一技術(shù)對(duì)于解決大功率儲(chǔ)能、動(dòng)力電池組的安全運(yùn)行意義重大。
關(guān)鍵詞：電池均衡，等倍率，雙向同步整流
01
熱失控
在鋰電池沒有大規(guī)模應(yīng)用在儲(chǔ)能和動(dòng)力電池組商用以前，熱失控是指鉛酸電池在充電時(shí)，電流和溫度均升高且互相促進(jìn)的現(xiàn)象。最終可能導(dǎo)致鉛酸電池膨脹、燒毀。隨著鋰電池的大規(guī)模商用，熱失控在鋰電池組中的顯現(xiàn)更加明顯，通常發(fā)生在充電和放電期間，特別是以充電期間發(fā)生熱失控的概率更高一些，鋰電池發(fā)生熱失控后，其產(chǎn)生的危害、造成的后果、危險(xiǎn)甚至超過鉛酸蓄電池。
特別是容量和功率巨大的的儲(chǔ)能、動(dòng)力電池組，主要是因?yàn)殇囯姵刂兴褂玫匿囋鼗瘜W(xué)性質(zhì)非常活潑，據(jù)報(bào)道，自2018年5月以來，韓國儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)生了發(fā)生了23起嚴(yán)重火災(zāi)。2019年6月11日，韓國政府正式公布調(diào)查結(jié)果，所有23起儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)事故中有14起在充電后發(fā)生， 6起發(fā)生在充放電過程中，因電池充放電原因發(fā)生的事故數(shù)量和比例占了絕大多數(shù)，都是典型的熱失控故障。
根據(jù)官方機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2018年我國新能源汽車起火事件至少發(fā)生40起。而今年以來，新能源汽車起火事件依然頻發(fā)，在4月21日至4月24日的四天時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)生三起起火事故。與此同時(shí)，新能源整車召回事件也頻發(fā)，其中因電池安全而引起的召回較2018年明顯增多。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，電池安全是新能源汽車起火最關(guān)鍵的因素，電池安全管理缺陷，特別是一致性管理難題會(huì)導(dǎo)致車輛在使用過程中可能發(fā)生電池包內(nèi)部過熱的現(xiàn)象，存在熱失控起火的安全隱患，是需要重點(diǎn)攻克和解決的難題、課題。
02
熱失控原因剖析
通過熱失控的成因，我們可以知道，熱失控既可以發(fā)生在充電期間，也可以發(fā)生在放電期間，它的發(fā)生與電流密切關(guān)聯(lián)，因?yàn)橹挥须娏鞑艜?huì)引起電池溫度的劇烈變化，下面進(jìn)行詳細(xì)剖析。
首先，鋰電池都是有內(nèi)阻的，對(duì)于鋰離子電池而言,電池內(nèi)阻分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻是指電化學(xué)反應(yīng)時(shí)由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極極化和濃差極化引起的電阻。鋰離子電池的實(shí)際內(nèi)阻是指電池在工作時(shí)電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。
在電池充放電過程中，電池內(nèi)阻大，會(huì)產(chǎn)生大量焦耳熱（根據(jù)公式：E=I2RT，其中I是電流，R是內(nèi)阻，T是時(shí)間），引起電池溫度升高，當(dāng)溫升達(dá)到電池的工藝設(shè)計(jì)極限時(shí)，鋰電池就會(huì)進(jìn)入一個(gè)異常極端，即熱失控。焦耳熱的另一個(gè)計(jì)算公式是E=UIT，其中U是單元電池的電壓，其它同上，在高倍率充電的情況下，衰減電池的電壓通常最高，產(chǎn)生的焦耳熱也最多，這就是熱失控通常發(fā)生在充電期間的原因。
熱失控通常不會(huì)發(fā)生在新裝配的電池組上，主要是因?yàn)�，新裝配的電池組，每個(gè)單元電池的內(nèi)阻都非常小，而且基本相同，大電流下的發(fā)熱量都比較小，很快就會(huì)散掉。當(dāng)電池組的一致性出現(xiàn)異常時(shí)，變化最為明顯的電氣參數(shù)是電池的電壓、內(nèi)阻、容量，特別是衰減電池，不僅容量降低，而且內(nèi)阻增大，這一升一降的結(jié)果直接影響電池的電壓劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致電池極易進(jìn)入過充電或過放電狀態(tài)，進(jìn)一步加劇電池組的衰減。
內(nèi)阻的差異，使得衰減電池在充放電時(shí)的溫升遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他正常電池，并在電池組內(nèi)部形成明顯的溫度差異，溫度越高，電池的衰減速度越快，衰減又加速溫度的升高，形成惡性循環(huán)。
03
防范措施
通過前面的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，影響電池溫升的核心因素主要有兩個(gè)，分別是電流和內(nèi)阻。當(dāng)電池發(fā)生衰減后，內(nèi)阻會(huì)隨著衰減程度的加劇逐漸增大，無法對(duì)其進(jìn)行任何控制，唯一能夠改變的就是充放電電流。
改變充放電流的方式有兩種，第一種方案是適當(dāng)降低電池組的充放電電流，減少衰減電池的實(shí)際發(fā)熱量，進(jìn)而降低溫升速度，但這樣做會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間，降低放電功率，可能會(huì)降低電池組的實(shí)際效能；第二種方案是不改變電池組的充放電電流，通過電池均衡技術(shù)調(diào)整不同單元電池的實(shí)際充放電電流，減少衰減電池的充放電電流，適當(dāng)增大其它正常電池的充放電電流，最終實(shí)現(xiàn)所有不同容量電池電壓同步。
04
電池均衡技術(shù)
電池均衡技術(shù)依托于電子技術(shù)的發(fā)展，主要經(jīng)歷了三個(gè)階段。
第一個(gè)階段是被動(dòng)均衡階段，主要是要解決不一致性電池組中的“差”電池不被過充的問題。在技術(shù)方案上通過“開關(guān)管+電阻”的方式對(duì)超過充電限制電壓的電池進(jìn)行被動(dòng)放電，限制電壓上升速度，這是一種典型的被動(dòng)均衡技術(shù)，內(nèi)置基準(zhǔn)電壓和控制電路，并聯(lián)在電池的兩端，當(dāng)電池的充電電壓達(dá)到和超過充電限制電壓時(shí)，開關(guān)管和電阻工作，對(duì)超過限制電壓的電池強(qiáng)制放電。
這種被動(dòng)均衡方式，由于電能通過電阻放電轉(zhuǎn)化為熱量釋放掉，電阻長(zhǎng)時(shí)間處于較高的溫度下，因此均衡電流通常都比較小，一般在40mA至200mA之間，并且由于介入的時(shí)機(jī)較晚，因而均衡效果不很理想，即使在后來引入了BMS程序控制機(jī)制，將介入時(shí)機(jī)提前，仍無法達(dá)到預(yù)期效果。
此外，應(yīng)用上的數(shù)據(jù)測(cè)量也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池組的充電電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被動(dòng)均衡電流的情況下，被動(dòng)均衡的單元電池發(fā)生過充電的概率仍非常高，在充電的中后期，低容量電池單元仍長(zhǎng)時(shí)間處于過充電狀態(tài)，導(dǎo)致小容量電池充電時(shí)過熱，防過充電的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期，被過充電問題依舊持續(xù)存在，更重要的是這種均衡方式不支持放電均衡，被強(qiáng)制充電均衡的低容量電池的電量會(huì)率先放完電，一旦BMS系統(tǒng)工作失常，低容量電池就會(huì)進(jìn)入過放電狀態(tài)，對(duì)電池進(jìn)行二次傷害，加劇低容量電池的衰減。
由于被動(dòng)放電均衡不支持放電均衡，有廠商通過BMS控制對(duì)放電期間大容量電池進(jìn)行被動(dòng)放電，努力提高電池間的一致性，雖然在表面上是主動(dòng)進(jìn)行一致性控制，但浪費(fèi)的是寶貴的電能，都變成焦耳熱散失掉了，從充電到放電的全過程都在不停的浪費(fèi)寶貴的電能，提升電池組模組的溫度，特別是夏季高溫季節(jié)，對(duì)預(yù)防電池組的“熱失控”極為不利，反而起到推波助瀾的作用。
即便這樣，由于均衡電流實(shí)在過小，低容量電池充電時(shí)過充，放電時(shí)過放弊端還是無法解決，這是被動(dòng)均衡的局限和必然結(jié)果，因此被動(dòng)均衡僅僅只是一種概念上的宣傳，沒有多大的實(shí)際意義。
第二個(gè)階段是充電均衡，主要解決被動(dòng)均衡方案下均衡電流不足和電能利用率低的問題。實(shí)質(zhì)上屬于主動(dòng)均衡范疇，只在充電期間起作用，高電壓電池（低容量電池充電時(shí)電壓相對(duì)高）將多余的電量通過轉(zhuǎn)移的方式回饋到電池組，不再通過轉(zhuǎn)換成熱量釋放掉，電能利用率有了較大幅度提高，均衡電流有了明顯提高，可以達(dá)到安培級(jí)別，防過充效果比較顯著，通常只在電壓差較大的情況下才發(fā)揮作用，同樣存在均衡介入時(shí)機(jī)延遲、均衡效率不高的問題，雖然通過較大的均衡電流降低了低容量電池過充電的風(fēng)險(xiǎn)，但因不支持靜態(tài)均衡和放電均衡，特別是放電過程中低容量電池過放電的概率非常大，因此，這種電池均衡仍是一種過渡性的電池均衡技術(shù)。
第三個(gè)階段是全過程均衡，主要解決充電、放電、靜止（包括恢復(fù)期）期間全過程主動(dòng)均衡問題，這是一種真正意義上的電池均衡。這項(xiàng)技術(shù)是社會(huì)對(duì)大功率儲(chǔ)能、動(dòng)力電池組安全、高效運(yùn)行的需要，特別是預(yù)防熱失控的迫切需求，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的被動(dòng)均衡和充電均衡技術(shù)難以滿足安全需求，性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)的開發(fā)熱潮應(yīng)運(yùn)而生，深受研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)的青睞。
其設(shè)計(jì)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的方式多種多樣，既有并聯(lián)均衡，也有串聯(lián)均衡，均衡電流、均衡效率、均衡能力、實(shí)施方式各異，轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)的問世，對(duì)提高電池組的安全運(yùn)行系數(shù)，提高平均容量利用率，防范低容量電池的過充電和過放電，特別是防控?zé)崾Э毓收暇哂兄匾锍瘫囊饬x，雖然好處多多，但這種電池均衡技術(shù)有其自身技術(shù)難點(diǎn)。
經(jīng)過大量研發(fā)機(jī)構(gòu)多年研發(fā)，已經(jīng)有若干型號(hào)電池均衡產(chǎn)品問世，除了均衡效率、均衡性能還有待進(jìn)一步提高之外，普遍存在一個(gè)明顯缺點(diǎn)，那就是設(shè)備復(fù)雜、特別是成本過高，用戶接受困難，難以普及，迫切需要一種適應(yīng)性好、均衡能力強(qiáng)、效率高、成本低的高效電池均衡技術(shù)。
05
轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)難點(diǎn)
盡管這種高效電池均衡技術(shù)具有非常強(qiáng)大的均衡能效，代表未來電池均衡技術(shù)的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展前景，但是從國內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展情況來看，進(jìn)展并不順利，困難重重，研發(fā)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過研發(fā)者的心里預(yù)期，從電池組的安全、高效運(yùn)行需求來看，這種電池均衡技術(shù)必須要解決幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：
一是要能提供寬幅范圍的均衡電流。電池組一致性差異很小或者不明顯時(shí)，很小的均衡電流即可滿足需要，當(dāng)充電中后期或者放電末期電池組的一致性差異增大時(shí)，則需要較大的均衡電流強(qiáng)制進(jìn)行均衡，因此，均衡電流必須適應(yīng)這種寬幅變化的需要，并且自身應(yīng)保證安全運(yùn)行，不會(huì)因?yàn)殡娏鬟^載而燒毀。
二是具備較高的均衡效率。當(dāng)均衡電流較大時(shí)，功率元器件的發(fā)熱量就要升高，如果設(shè)計(jì)優(yōu)秀，功率元器件的執(zhí)行效率就高，發(fā)熱量會(huì)降低，不僅會(huì)保證均衡效率高，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，還會(huì)降低電池組的溫升、衰減速度和熱失控風(fēng)險(xiǎn)；
三是控制成本。目前已上市的電池均衡技術(shù)產(chǎn)品普遍價(jià)格高昂，主要是其設(shè)備成本過高所致，與設(shè)計(jì)所采用的控制芯片及元器件的成本過高有關(guān)；四是適應(yīng)性問題。例如，同樣是用于鋰電池組均衡，串?dāng)?shù)較少時(shí)均衡效果較為理想，串?dāng)?shù)增多時(shí)均衡效果就嚴(yán)重下降，因此有的產(chǎn)品都有電池組串?dāng)?shù)限制，難以用在多串?dāng)?shù)儲(chǔ)能、動(dòng)力電池組。
再如，部分電池均衡器產(chǎn)品對(duì)電池組的一致性要求比較苛刻，只能用于一致性較好的電池組，當(dāng)一致性較差，特別是充放電期間電壓差較大時(shí)，即使設(shè)備的溫升很低也會(huì)報(bào)警，停止均衡工作，必須通過人工干預(yù)將電壓差強(qiáng)制降下來后才能重新啟動(dòng)均衡器，這種情況下的電池均衡器就表現(xiàn)出較差的適應(yīng)性，失去了意義。
06
高效電池均衡技術(shù)研發(fā)進(jìn)展及實(shí)例
從產(chǎn)品需求的角度，理想的電池均衡技術(shù)應(yīng)盡可能滿足上述需求，但現(xiàn)實(shí)中的電池均衡產(chǎn)品通常只能滿足部分指標(biāo)，因此，大規(guī)模應(yīng)用必然受限。理論上，這種需求的電池均衡技術(shù)，通過科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)是可以實(shí)現(xiàn)的，通過這些年的電池均衡技術(shù)發(fā)展來看，難度確實(shí)比較大，實(shí)現(xiàn)較為困難。
作者另辟蹊徑，以一種全新的低成本設(shè)計(jì)理念開展持續(xù)性的電池均衡理論研究和技術(shù)驗(yàn)證，相繼研究出相對(duì)電壓差控制理論、差異化電流分配理論、雙向同步整流理論，提出等倍率充放電理論以及均衡電流與電壓差聯(lián)動(dòng)理論并同步設(shè)計(jì)出具體實(shí)施電路，針對(duì)均衡需要解決的主要問題方面全力開展技術(shù)攻關(guān)，逐一攻克每一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
經(jīng)過持續(xù)多年的不懈研究，成功研制出低成本的高效電池均衡技術(shù)，期間，為解決均衡電流難以安全、高效提升的問題，獨(dú)創(chuàng)性地開發(fā)出簡(jiǎn)潔、高效的雙向同步整流技術(shù)，將均衡電流的支持能力實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，在溫升不變的情況下將均衡電流大幅度提升，在功率開關(guān)管沒有任何散熱片的情況下，可以實(shí)現(xiàn)5A以上連續(xù)均衡電流，實(shí)現(xiàn)了均衡電流和均衡效率的大幅度提升。
如果配上簡(jiǎn)易的散熱片，就可以支持10安以上連續(xù)均衡電流，而且可以進(jìn)行擴(kuò)流。通過設(shè)計(jì)樣機(jī)在一致性較差的大功率儲(chǔ)能、動(dòng)力電池組的大電流充放電測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在電壓差控制、均衡電流分流能力、電池容量的利用率、低容量電池的防過充過放控制、溫升控制等具有非常出色的表現(xiàn)，如圖所示。
這是一組電池均衡技術(shù)樣機(jī)在24串單體2V800Ah電池組的實(shí)驗(yàn)，接入均衡設(shè)備前，最大電壓差高達(dá)150mv，是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的6倍，不一致問題非常嚴(yán)重，接入均衡實(shí)驗(yàn)樣機(jī)24小時(shí)后，最大電壓差下降至35mv，72小時(shí)后，最大電壓差只有6mv左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)了。
經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)的大電流充放電（平均電流90～100Ａ），電壓一致性表現(xiàn)非常理想，符合均衡設(shè)計(jì)要求。電池均衡技術(shù)在大功率儲(chǔ)能、動(dòng)力電池組上的應(yīng)用，最主要的功能除了穩(wěn)定電池組容量、提高容量利用率、抑制一致性問題的擴(kuò)大外，最重要的功能是防范一致性問題給電池組帶來的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，特別是要防范熱失控問題的發(fā)生。
07
遠(yuǎn)景
大功率儲(chǔ)能、動(dòng)力電池組的一致性問題的發(fā)生和擴(kuò)大具有一定普遍性，由此帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)問題突出、事故不斷，造成的損失巨大，電池均衡技術(shù)特別是高效轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)是目前的最好解決方案，它的任務(wù)和使命是防范低容量電池的被過充電和被過放電，但要真正實(shí)現(xiàn)這一功能，任務(wù)非常艱巨，雖然現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出這樣的技術(shù)，但距離實(shí)際商用、造福社會(huì)還有很長(zhǎng)的路要走，隨著研發(fā)的不斷投入，低成本、高效的電池均衡技術(shù)一定會(huì)大放光彩。
參考文獻(xiàn)：
[1]周寶林,周全.一種具有雙向同步整流功能的轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器
[2]周寶林,周全.轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對(duì)電池電壓與荷電量影響的研究
[3]周寶林,周全.轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)對(duì)衰減電池組容量和溫升的影響
(責(zé)任編輯：子蕊)
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2024-05-11 19:17 -
寧德時(shí)代、比亞迪、中創(chuàng)新航共同供貨蔚來“樂道”？
2024-05-09 18:48
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