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13串48伏报废锂电池组常规放电与均衡放电对比实验及分析

钜大LARGE  |  点击量:735次  |  2019年08月07日  

摘要
中国储能网讯:在一致性问题的影响下,电池组的实际放电容量取决于电池组中容量最小的电池,电池组串联数量越多,对电池组放电容量的影响越大,电池组的利用率就越低,不仅影响充放电容量和续航时间,还容易引发热失

在一致性问题的影响下,电池组的实际放电容量取决于电池组中容量最小的电池,电池组串联数量越多,对电池组放电容量的影响越大,电池组的利用率就越低,不仅影响充放电容量和续航时间,还容易引发热失控等故障,特别是大功率动力、储能电池组。实时、高效率电池均衡器的介入,不仅智能调节不同容量电池充放电电流和充放电倍率,还明显提高电池的容量利用率,控制衰减电池的温升效果也非常明显。本文通过一组一致性严重劣化的13串48伏报废锂电池在常规放电和均衡放电实验数据的对比和分析,充分证明了高效电池均衡器对于稳定电池组续航时间和容量的重要性。


关键词:一致性,均衡放电,等倍率,热失控


1电池组一致性问题产生的原因


理想状态下电池组应具有如下特征:充电或放电时,所有电池电压同步上升或同步下降,电池间的容量、电压、自放电率和内阻非常接近,即所有电池的表现状态基本相同,一致性非常好,所有电池几乎能同时充满电或同时放完电,不会有电池发生过充电或过放电的问题。


但现实中,电池组却大部分表现很差,一致性问题突出,电池组的循环使用寿命通常只有单体电池设计寿命的1/3至1/5,非常影响设备的使用寿命和续航时间,问题严重的还会发生热失控故障,导致设备或人员受损。


通过大量的实验研究和运行数据分析可发现,导致常规电池组发生一致性问题的主要原因包括两个:一个原因是电池生产工艺的差异产生的,简称内因,一旦电池封装化成完成后,电池间的容量、自放电率和内阻参数等差异就存在了,只是差异程度不同而已。


第二个原因可以称之为外因,主要是充放电电压参数、电流参数、环境温度差异波动等原因引起的,这些外因环境,会将内因形成的差异逐渐积累和放大,并且这种差异的放大呈现指数放大特点,这就是电池组一旦发生一致性问题后会迅速加重的原因。


2解决一致性原因的常见方法


在解决电池组的一致性问题方面,根据电池发生一致性问题的主要原因,主要有两种技术解决方案,一种方案是在电池生产工艺上做文章,通过提高生产工艺水平的方式来提高电池在出厂时的一致性,这种方案具有一定的效果,能最大程度减缓和延迟一致性问题发生的时间,但无法根除;


另一种方案是使用电池均衡器进行干预,电池均衡包括被动均衡和主动均衡两类,被动均衡又称耗能均衡,均衡电流小,均衡效率为零,仅适用于一致性较好,散热均匀,并且电池组容量较小的情况;主动均衡的典型代表是转移式电池均衡,均衡效率和均衡电流远远高于被动式均衡。


可以预见的是,主动均衡即使是未来发展的主流,设计架构和实现方式多种多样,本文不进行讨论,但有一点是肯定的,所有的设计目标都是朝着支持均衡电流较大、均衡效率高、均衡速度快的方向发展。


3实时、高速电池均衡技术及分流特点


电池均衡技术中,较难解决的是均衡电流和均衡效率的匹配和兼顾问题,既要能提供较大的均衡电流,又要具备较高的均衡效率,之所以提出这一要求,主要是存在大电流均衡情况下的均衡设备发热,并且影响电池组温升的问题。


为了解决这一矛盾问题,作者历经多年攻关研发出一种自创的独特双向同步整流技术[1],不仅支持大电流均衡,而且均衡效率很高,在满负荷工作的情况下,设备的温升也较低,几乎不会对电池组增加温升。


通过高速电压均衡实现电量的合理分配和优化[2],在放电均衡方面,这种技术通过实时检测相邻电池间的相对电压差大小及方向,自动分析和判断出电池的容量大小,自动对电压高(放电期间电压高通常容量大)的电池提高放电电流,增加的放电电流通过均衡器的高效转换,输送到低电压电池的两端,对低电压(放电期间电压低通常容量小)电池减小放电电流,弥补小容量电池放电能力的不足,使不同容量的电池近似等倍率放电。


在充电均衡方面,自动对电压高(充电期间电压高意味着容量小)的电池降低充电电流,减少的充电电流通过均衡器的高效转换,输送到低电压电池的两端,对低电压(充电期间电压低意味着容量大)电池增大充电电流,使不同容量的电池近似等倍率充电;这种技术还能同时支持高速静态均衡,增加有效均衡时间,特有的脉冲技术对于稳定衰减电池容量非常明显,本文实例所使用的电池均衡器即采用了最新研制的双向同步整流技术[3]。


4十三串锂电池组放电实验


实验电池组如图1所示,采用报废锂电池组经拆解挑选组装而成,相当于梯次利用,均为18650型号锂电池,最长搁置时间超过8年,拆解电池的的初始电压只有零点几伏至三点几伏不等,大部分处于报废状态,原单节设计容量在2200mAh至2500mAh,大部分电池漏电较重,充电时发热严重。


在充满电后静止2小时进行容量检测的情况下,1A放电检测实际剩余容量只有550mAh至2350mAh之间,见表1剩余容量栏,通过检测容量可以看出,容量差异非常大,最大差值达1.8Ah,实验电池共计13块,所有电池剩余电量柱状图如图2 所示。


实验台上的最右侧带有“表头供电”字样的电池只负责7#、13#电池下方的高精度电压表头供电,不参与充放电实验,其它电压表头采用级联方式供电。每块电池的下面对应一块高精度电压表头,实时显示上方电池的当前电压,实验平台(平台进行了改造,方便更换电池)最大支持2并14串18650电池实验,本文实例只连接了13串电池,标称电压48伏。


4.1 常规放电实验


先利用电池均衡器对13串电池组充电(附表中的电压仍存在一定的电压差,主要是由于多数电池漏电,漏电流较大所致,下同),当充电器的充电电流不再下降时视为充满电,再通过电子负载对电池组进行1A恒流放电,当任意一块电池的放电电压降至3.00V时,停止放电。


期间,每间隔10分钟记录每一块电池的当前电压,直至某块电池放电结束停止放电,并记录实际总放电时间,放电期间实测数据如表1所示(根据实时录制视频整理,底纹颜色代表组内最高和最低电压,下同),6#电池容量最小,放电结束时对应的各电池电压情况如图3所示,常规放电结束时的各电池剩余电量柱状图如图4所示,常规放电结束时各电池剩余电压曲线如图5所示。


表1 13串锂电池组常规放电数据表


从放电测量数据可以看出,放电至33分钟时,6#电池到达放电截止电压,停止放电,此时,2#电池的电量也即将放完,但其他11块电池仍具有较多的电量没有释放出来,放电结束时的电压就说明了一切,特别是1#和7#电池还剩余非常多的电量没有释放,无法利用,这种情况特别像安装了具有单体电池放电保护的BMS电池管理系统的动力电池组。


虽然6#电池得到了放电保护,不会发生过放电,但电池组中绝大多数电池的容量没有发挥和释放出来,容量浪费严重;另外,通过每十分钟间隔测量的最大电压差数据也可以发现,随着放电的进行,最大电压差呈逐渐增大状态。


这就意味着,电池的一致性表现越来越差,一致性问题越来越严重。另外,测量数据表明,2#电池也即将放电完毕,说明该电池组中的2#电池衰减也非常严重,放电期间还有一个现象,放电初期,6#电池的电压并不是最低,而是到了中后期后电压才处于最低,一直持续到放电结束。


当停止放电时,所有电池的电压已开始正常反弹,但2#和6#电池的电压反弹速度远远超过其它电池,很快就上升到3.9V左右,进一步证实了2#和6#电池衰减非常严重。


4.2 均衡放电实验


各项应用和实践表明,均衡放电的实际意义大于均衡充电,均衡放电能反映出电池组的实际可用容量,无论是理论上还是实践上,电池组的均衡放电容量都大于常规放电容量,特别是对于发生了一致性问题的电池组,一致性问题越严重,实际放电容量差异越大。


均衡放电的目的是要让所有高于平均容量的电池容量大部分都能发挥和释放出来,增加总体放电时间,在此期间还必须保证所有电池都能安全放电,不会有电池发生过放电情况。在进行均衡放电之前,采用与前面相同的方法对电池组充满电,放电方式、环境温度、数据记录方式不变。


同样是当任意一块电池的电压放电至3.00V时停止放电,唯一的区别是均衡放电期间全程保持本文电池均衡器连接,实测每块电池均衡放电相关数据如表2所示,均衡放电结束时各电池剩余电压情况如图6所示,均衡放电结束时对应的各电池剩余电压曲线如图7所示。


4.3 均衡放电循环拓展实验


在首次进行的均衡放电获得非常满意的实验数据基础上,为了验证均衡放电是否具有普遍性的特点,作者在保持均衡器样机的前提下,对该实验电池组连续进行了一百余次的均衡充放电循环实验,循环实验结果表明,高效均衡器介入后,电池组的安全放电时间、放电容量都非常接近,明显优于普通的充放电,衰减严重的2#和6#电池的温升与其它电池基本相同,甚至略低。温升的降低对于预防发生热失控具有积极意义。


5放电实验对比分析


两种放电方式,初始条件基本相同,但放电结果却相差悬殊,唯一的区别是均衡放电中保持了均衡器的连接,下面通过对两种放电方式中衰减电池的电压表现和实际放电时间等数据对比来进行分析。


5.1 衰减电池的电压表现分析


常规放电实验中,放电初期,虽然6#电池的电压处于较高的位置,但放电10分钟后,电压开始处于最低状态,直至放电结束,2#电池电压下降速度紧随其后,也表现出严重衰减状态。衰减情况最轻的1#和7#电池的电压则始终处于最高状态。


而在均衡放电实验中,临近放电结束前,电压一直处于相对最低的却是11#电池,而不是6#电池,同样也不是2#电池,主要原因就是均衡器的介入自动改变了每块电池的实际放电电流,明显降低了2#和6#电池的实际放电电流,在常规放电实验中,1#和7#电池的电压一直处于最高状态,直至放电结束,显示出这两块电池的容量最大。


由于它们紧邻2#和6#电池,在均衡放电期间,自动为严重衰减的2#和6#电池提供了大量电量,在自身增大放电电流的同时,降低了2#和6#电池的实际输出电流和电压下降速度,整组电池的电压表现为近似同步下降。


通过对图5和图7的对比,可以明显发现,均衡放电结束时,电池的电压一致性明显优于常规放电,这种一致性的提升和改善贯穿于电池组的整个放电期间,非常有利于电池组的安全、高效的运行。


5.2 最大电压差变化分析


常规放电中,放电前,电池间最大电压差只有0.026V,一致性较好,且整体电压略高于均衡放电实验的初始电压,随着放电的进行,最大电压差呈逐渐扩大趋势,至放电30分钟时,最大电压差已扩大至0.770V,此时,电池组剩余容量只有10%左右,一致性表现非常差。


在均衡放电中,放电前最大初始电压差为0.034V,且整体电压略低于常规放电初始电压,在这种不利的情况下,均衡器的介入,彻底改变了接下来的放电状态,在放电结束前,最大电压差始终处于较小状态,远远低于常规放电的最大电压差,并且整体处于逐渐缩小的状态,与常规放电完全相反,仅仅在放电末期才开始缓慢升高,但升高幅度很小。


主要原因是,在放电末期,电池的可放电容量急剧下降,即便是未衰减电池,剩余的可用电量也非常少,无法快速通过均衡器为衰减电池提供更多的电量。通过以往的实验数据可知,对于锂离子电池,在1C左右放电倍率下,当电池的电压降至3.20V以下时,剩余容量通常低于5%。


如果将可释放电量保留5%,则最大电压差低于0.1V,均衡器仍可正常执行高速均衡功能,而如果将保护电量设定在10%,则最大电压差约0.08V左右,容量最低的6#电池仍有剩余电量,一致性非常理想。


5.3 电池组放电时间与放电容量对比分析


未采用电池均衡器的情况下,总有效放电时间只有33分钟,放电容量只有550mAh,实际放电容量等于6#电池的容量,除2#电池容量次小外,其它11块尚有大量有效电量无法得到释放和发挥功效,容量浪费严重、利用率很低,相比均衡放电,容量利用率只有47.8%。


使用电池均衡器以后,在初始电压相对偏低的情况下,有效放电时间达到了69分钟,有效放电的容量高达1150mAh,无论是放电时间还是放电容量都实现了大幅度提升。这是因为,均衡器的介入,较大容量电池的多余电量,大部分都通过电池均衡器的高效转换释放出来,明显提高了较大容量电池的容量利用率,从而使得实际放电时间得以大幅度延长。


5.4 6#电池放电倍率分析


标准放电模式下,6#电池的放电倍率约为1/0.55=1.82C;而采用电池均衡器后,所有电池进入均衡放电状态,6#电池的平均放电倍率只有33/(69*0.55)=0.87C,即采用电池均衡器后,6#电池的实际放电倍率不到常规放电倍率的一半,放电倍率降低了,放电电流自然降低,由此带来的好处是实际放电时间增加,这就是6#电池虽然衰减严重,但放电时间仍非常长的原因。


5.5 电池放电温升分析


通过红外测温仪测量,标准放电模式下,放电30分钟后,衰减严重的6#电池和2#电池温升较为明显,超出了其它电池的温升,这是因为,衰减电池的内阻明显增大,内阻引起的发热量显著提高,温升最快,理论和实践证明,温升提高,加剧衰减速度。而在使用电池均衡器后,在整个放电期间,衰减严重的2#和6#电池的温升与其它电池几乎没有区别,对降低衰减速度非常有利,均衡放电期间,均衡器样机的温升无明显变化。


6结束语


本文通过13串48伏报废锂电池组的常规放电和均衡放电对比实验及数据分析,可以得出一个结论,高效电池均衡器能充分利用和调节电池电量,稳定和延长电池组有效放电时间作用明显,已经完全报废,失去利用价值的锂电池组,在均衡器的介入和干预下,又能很好地发挥其储能和动力功效,延长了电池组的实际使用寿命。


高效电池均衡器的高速分流功能明显降低衰减电池的放电电流,由于内阻增大原因导致的温升明显降低,从而又降低了热失控风险,如果将其用于大功率、大容量储能、动力电池组,包括梯次利用电池组,大量报废电池组经拆解、筛选成组可重新复用,意义重大。


参考文献:


[1]周宝林,周全:一种具有同步整流功能的转移式实时电池均衡器


[2]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


[3]周宝林,周全:双向同步整流技术在转移式实时电池均衡器中的研究与应用


第一作者简介:


周宝林(1968-):男,黑龙江大庆,工程硕士,高级工程师,主要研究方向:电池均衡技术。


原标题:13串48伏报废锂电池组常规放电与均衡放电对比实验及分析


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