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一致性問題

電池成組并使用一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)生很多異常變化和現(xiàn)象，俗稱一致性問題，典型表現(xiàn)為：一是電壓變化，組內(nèi)電池的電壓在充電和放電期間總是存在個(gè)別單元電池電壓出現(xiàn)過高和過低的問題，充電時(shí)電壓快速上升，帶負(fù)載時(shí)電壓快速下降，斷開負(fù)載時(shí)，電壓有快速反彈，恢復(fù)正常；

二是充放電時(shí)間變化，充電時(shí)很快就提示充滿電，放電時(shí)電量很快就放完，持續(xù)時(shí)間大幅度縮短，無論是充電時(shí)間還是放電時(shí)間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用初期；三是充放電容量變化，無論是充電計(jì)量容量還是放電容量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用初期；

四是帶負(fù)載能力變化，同樣的負(fù)載，特別是感性負(fù)載，如電機(jī)，動(dòng)力性能快速下降；五是電池溫升變化，充電和放電期間，個(gè)別電池的溫升過大；六是電池外形發(fā)生明顯變化，個(gè)別電池的外廓尺寸發(fā)生明顯變化，特別是方形電池，突起現(xiàn)象明顯（內(nèi)部壓力過大所致）。上述任意現(xiàn)象都表明，電池組發(fā)生了典型的一致性問題。

電池組一致性差異管理難題由來已久，長期以來，一直困擾著廣大用戶和技術(shù)管理人員，難以有效解決，其產(chǎn)生原因是多方面的，既包括電池組自身的原因，也與電池的生產(chǎn)工藝、品控和配組有關(guān)，簡稱稱內(nèi)因；也包括使用期間的外界因素，如溫度、充放電流、充放電壓、充放倍率等，簡稱外因。大量檢測數(shù)據(jù)表明，外因是導(dǎo)致電池組一致性快速劣化的最主要原因。

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為什么要梯次利用

當(dāng)電池組發(fā)生一致性差異問題并嚴(yán)重影響使用的情況下，由于技術(shù)的缺乏和難以操作，用戶通常選擇更換電池組的方式繼續(xù)保證設(shè)備正常使用。然而，大量的檢測和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電池組發(fā)生嚴(yán)重的的一致性問題后，并非所有電池都達(dá)到了使用壽命，而只是其中的一個(gè)單元或幾個(gè)單元電池提前報(bào)廢引起整組電池性能嚴(yán)重下降所致，剩余的電池大部分都有重復(fù)利用價(jià)值。

無論是國內(nèi)還是國外，這種情況具有普遍性，特別是隨著電動(dòng)汽車大量鋰電池組的退役，大批量鋰電池通過科學(xué)的篩選、分容、分檔，大部分電池可以按照梯次利用的原則繼續(xù)使用，這樣可以最大限度地減少電池的報(bào)廢數(shù)量，提高電池在生命周期內(nèi)的利用率。

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梯次利用的技術(shù)難點(diǎn)

通過分析和檢測發(fā)現(xiàn)，一致性問題的普遍存在是電池組提前進(jìn)入退役期的根源，如果不徹底解決電池組的一致性問題，那么一致性問題在梯次利用電池組中將同樣長期存在，電池組使用壽命短的實(shí)際問題就無法得到根治。

同時(shí)由于梯次利用電池配組時(shí)存在先天性個(gè)體差異，會(huì)導(dǎo)致成組時(shí)就存在一致性不確定、甚至可能很差，最終會(huì)導(dǎo)致梯次利用電池組的有效使用壽命更短，降低性價(jià)比，因此，梯次利用電池組的核心技術(shù)難點(diǎn)仍然是如何高效控制電池組的一致性問題？如何從技術(shù)上控制一致性問題的進(jìn)一步快速發(fā)展？

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電池均衡的作用

在有效控制和解決電池組一致性差異問題方面，業(yè)界公認(rèn)的解決方案是采用電池均衡技術(shù)，雖然電池均衡技術(shù)有多種，目前主要包括被動(dòng)均衡（包含主動(dòng)控制下的被動(dòng)均衡）、充電均衡和轉(zhuǎn)移式電池均衡三種，其中被動(dòng)均衡和充電均衡無論是技術(shù)原理還是應(yīng)用實(shí)踐上，因存在明顯的固有缺陷，無法用于電池組的放電均衡，從根源上無法解決“落后”電池過放電問題，不是一個(gè)完全意義上的解決方案，只是一個(gè)過渡階段的電池均衡技術(shù)。

而轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)則融合了充電均衡、放電均衡和靜止均衡，涵蓋了電池組運(yùn)行的全過程，是一個(gè)真正意義上的電池均衡技術(shù)。

由于一致性差異的存在，電池的容量和電壓表現(xiàn)上會(huì)出現(xiàn)一定的差異，例如充電期間，容量小的電池較正常容量電池的電壓上升速度快，首先到達(dá)充電終止電壓，如果繼續(xù)充電，很容易造成過充電，過充電后電池的內(nèi)阻會(huì)快速增大并加快電池發(fā)熱速度，如果不降低充電電流或者停止充電，極易發(fā)生熱失控，存在發(fā)生爆炸、著火的危險(xiǎn)；

同樣，放電期間容量小的電池較正常容量電池的電壓下降速度快，最先到達(dá)放電截止電壓，如果繼續(xù)放電，很容易造成過放電，過放電后，電池的內(nèi)阻會(huì)進(jìn)一步增大，加速電池的發(fā)熱速度，如果不降低放電電流或停止放電，極易發(fā)生熱失控，同樣存在發(fā)生爆炸、著火的危險(xiǎn)。

因此如果電池組的一致性差異過大，那么容量小的電池的損傷速度將進(jìn)一步加快，通過這一過程我們可以發(fā)現(xiàn)，如果我們能夠通過自動(dòng)化技術(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)不同容量電池的充放電電流，即自動(dòng)降低小容量電池的充放電電流，匹配增大其它電池的充放電電流，就可以防止“落后”電池的電壓充電時(shí)過高或者放電時(shí)過低，實(shí)現(xiàn)不同容量電池的電壓同步上升和下降，主動(dòng)降低不同容量電池間的相對電壓差。

雖然電池之間仍存在一致性差異，但是一致性問題的各種表現(xiàn)卻得到控制或消除了，這也就達(dá)到了解決一致性問題的目的。這就是電池均衡技術(shù)需要解決的問題和需要完成的任務(wù)，現(xiàn)有技術(shù)方案下，只有電池均衡技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)這一功能，因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)電流的分流功能。

當(dāng)通過智能分配差異電池的充放電電流時(shí)，“落后”電池的實(shí)際工作電流會(huì)降低，由于內(nèi)阻原因引起的溫升也會(huì)自然降低，特別是夏季或溫度較高的環(huán)境下，非常有利于降低“落后”電池的熱失控風(fēng)險(xiǎn)及其引發(fā)的安全事故，提高運(yùn)行安全系數(shù)，這一結(jié)論已得到大量實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證。

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電池均衡技術(shù)的選擇

梯次利用鋰電池組具有容量大、工作電流大、電池質(zhì)量和一致性差異不確定性的特點(diǎn)，因此成組后的梯次利用鋰電池組本身就存在一致性差異的不確定性，這就對電池均衡技術(shù)提出了更高的要求。由于被動(dòng)均衡和充電均衡在均衡原理上都只能用于充電均衡，存在固有的缺陷，不適合大容量梯次利用鋰電池組的實(shí)時(shí)快速均衡要求，而轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)，特別是實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)具有無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，非常適合梯次利用鋰電池組。

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高速電池均衡技術(shù)的優(yōu)勢

理論和實(shí)踐證明，轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)的確可以較好地解決電池組的一致性問題，特別是在一致性差異不大的情況下，均衡表現(xiàn)是非常不錯(cuò)的，但如果一致性差異較大，那么現(xiàn)有設(shè)計(jì)就難以快速滿足需要，主要表現(xiàn)在均衡電流過小，無法適應(yīng)高速均衡的需要。

因此，轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)還必須解決均衡電流動(dòng)態(tài)范圍的問題，也就是支持的均衡電流必須足夠大，現(xiàn)有技術(shù)雖然可以提高均衡電流，但隨之帶來的就是功率器件在大電流下的發(fā)熱量急劇上升，很難實(shí)現(xiàn)均衡能力與發(fā)熱之間的矛盾合理兼顧，這一實(shí)際難題需要進(jìn)一步通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來解決，但受設(shè)計(jì)架構(gòu)的限制，很難實(shí)現(xiàn)突破。

如要從根本上解決這一矛盾，必須轉(zhuǎn)變設(shè)計(jì)思路，將傳統(tǒng)的通過二極管進(jìn)行續(xù)流的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，升級(jí)為同步整流，而且必須是雙向同步整流，以便實(shí)現(xiàn)均衡電流方向的自動(dòng)任意切換，基于目前電子元器件工業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀，最理想的替換方案就是利用場效應(yīng)管導(dǎo)通電阻小、導(dǎo)通壓降低、損耗小的特性解決二極管導(dǎo)通壓降大、損耗大的難題，只要控制方法得當(dāng)，技術(shù)上是完全可行的。

目前，應(yīng)用于大功率直流電源中的同步整流技術(shù)是單向同步整流，技術(shù)是成熟的，通常采用專用芯片或內(nèi)置同步整流控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，但這種控制技術(shù)應(yīng)用局限較大，不適合用在電池均衡所需要的雙向同步整流控制上。

為了解決這一難題，作者另辟蹊徑，歷時(shí)多年的研究，開發(fā)出一種全新的雙向同步整流控制技術(shù)，將這一難題成功解決，在換能電路上取消了兩只續(xù)流二極管，通過兩只場效應(yīng)管功能自動(dòng)互換實(shí)現(xiàn)同步整流，如圖2所示。

這種換能結(jié)構(gòu)的變化，在簡化換能電路和設(shè)計(jì)的同時(shí)又提高了可靠性，當(dāng)然必須依靠主控電路的精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)控制才能實(shí)現(xiàn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對比測試的直接效果是：在相同的溫升情況下，均衡電流提高了數(shù)倍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了均衡速度和均衡效率在本質(zhì)上的雙提高。

經(jīng)實(shí)測，在相同的均衡電流下，例如3A均衡電流，采用雙向同步整流的設(shè)計(jì)溫升非常小，甚至幾乎沒有明顯溫升，溫升的降低可以延長設(shè)備的使用壽命和可靠性，為大容量梯次利用電池組的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行提供了技術(shù)上的保障。

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實(shí)例

下面結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行說明。實(shí)驗(yàn)電池組共13串，所用電池均來自拆機(jī)退役電池，隸屬于不同電池廠商，均為標(biāo)稱3.7V鋰離子電池，原設(shè)計(jì)容量2200mAh至2600mAh不等，實(shí)際剩余容量（1A恒流放電至3.0V時(shí)的容量）在0.6Ah至1.7Ah之間分布，除了容量差異懸殊外，內(nèi)阻、自放電率、放電曲線等參數(shù)的差異都非常大。

通常情況下，這種退役電池是不適合梯次利用的，但為了驗(yàn)證這種設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢，本文以均衡放電為例進(jìn)行說明，為確保實(shí)驗(yàn)的公平，放電之前，先進(jìn)行均衡充電，確保每一塊電池都基本充滿電，均衡充滿電后的各電池電壓分布如圖3所示，采用高精度電壓表頭，最右側(cè)帶有“表頭供電”字樣的電池為表頭供電專用，不參與電池組充放電。

圖3電池組充滿電后的電壓分布

7.1常規(guī)放電

對本電池組直接進(jìn)行常規(guī)放電，1A恒流放電，當(dāng)放電終止電壓達(dá)到39V（13*3.0V）或者任意一塊電池的電壓降至3.0V時(shí)，即為放電結(jié)束，實(shí)際放電時(shí)間36分鐘，10#電池（圖中電壓顯示2.998V）到達(dá)放電結(jié)束電壓，結(jié)束放電。但從電壓顯示數(shù)據(jù)來看，電池之間的電壓差異較大，最大電壓差接近0.6V，大部分電池仍具有很多電量沒有得到有效釋放，容量浪費(fèi)嚴(yán)重。

放電實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，10#電池的溫升略高于其它電池，如果按照放電截止總電壓繼續(xù)放電，那么10#電池很快就會(huì)到達(dá)放電截止電壓2.75V并快速進(jìn)入過放電狀態(tài)，將會(huì)對10#電池產(chǎn)生不可恢復(fù)的傷害。

7.2均衡放電

對本電池組重新采用相同的標(biāo)準(zhǔn)充電，再將本文高效電池均衡器樣機(jī)連接電池組并進(jìn)行1A恒流放電，放電標(biāo)準(zhǔn)相同，實(shí)際放電時(shí)間長達(dá)58分鐘，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)放電時(shí)間，均衡放電結(jié)束時(shí)的電壓分布情況如圖5所示。

通過每塊電池的剩余電壓可以清楚地看到，均衡放電結(jié)束時(shí)的電池組，電壓的一致性仍然非常好，最大電壓只有71mV，電壓分布合理，明顯優(yōu)于常規(guī)放電，完全符合設(shè)計(jì)要求，在放電結(jié)束時(shí)刻，經(jīng)紅外測溫儀測量，13串電池的溫度幾乎沒有明顯差異，溫升適中。

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展望

鋰電池的梯次利用，特別是電動(dòng)汽車巨量退役鋰電池的梯次利用對延續(xù)鋰電池的生命價(jià)值、減少報(bào)廢電池?cái)?shù)量、減少環(huán)境污染、提高資源的綜合利用率意義重大，符合國家的政策，但鋰電池的大規(guī)模梯次利用并不是簡單的再重組，有大量的技術(shù)問題需要解決，特別是運(yùn)行安全問題。

而這其中，尤為重要的是電池的一致性管理難點(diǎn)問題，如果處理得好，退役電池可以得到高效利用，利國利民。否則，梯次利用的退役電池更容易發(fā)生熱失控風(fēng)險(xiǎn)及其所帶來的嚴(yán)重后果，引發(fā)爆炸、起火等安全問題。