周寶林，賴寶洪，周全（. 大慶市交通運輸局，黑龍江 大慶 6；. 湖南豐日電源電氣股份有限公司，湖南瀏陽 40；. 蘭州交通大學，甘肅 蘭州 70070）

轉移式電池均衡技術在蓄電池組中的應用

周寶林1，賴寶洪2，周全3
（1. 大慶市交通運輸局，黑龍江 大慶 163311；2. 湖南豐日電源電氣股份有限公司，湖南瀏陽 410331；3. 蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

成組使用的蓄電池在使用一段時間后會出現(xiàn)容量衰減不一致、開路電壓差加大、放電終止電壓差更大的問題，提前到達保護電壓而失效。生產技術的一致性差是蓄電池組產生差異性衰減的內因，相對的過充電和過放電是電池差異性衰減的主要外因。目前的電池管理技術能夠發(fā)現(xiàn)和定位落后電池，但對延緩或減輕電池的進一步落后無法從根本上解決問題，轉移式電池均衡技術運用自動可變脈沖技術和差異化電流技術對電池的電壓和電流進行科學、合理的均衡調節(jié)，控制和消除電池落后的外因，防止熱失控。本文通過該技術樣機在一組單體 2 V 待檢修蓄電池組上的應用來說明這項技術對改善電池一致性的作用。

電池均衡；蓄電池組；熱失控；一致性；自動可變脈沖；差異化電流

1　蓄電池衰減成因及特征

蓄電池以其容量大、內阻小、能夠反復充放電而深受用戶青睞［1］。但是隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加和環(huán)境溫度的變化，電池組個體電池的容量會發(fā)生不同速度和程度的衰減，影響較大的因素主要包括充放電電流、電壓和環(huán)境溫度［2］。

落后電池如果充放電電流過大，容易使電池過熱，溫度升高，電池電化學反應強烈；充電電壓過高，容易使電池過充電，造成失水；放電時，落后電池的放電電壓過低，容易使個體電池過放電：這些因素會加速個體電池容量衰減，造成整組電池放電終止。

落后個體電池容量衰減后會表現(xiàn)出明顯特征：一是電池的充放電電壓變化異常。充電期間，電壓上升速度快；放電期間，電壓下降速度快。二是電池的有效放電時間縮短，在負載不變的情況下，放電時間逐次縮短，衰減越嚴重，整組電池有效放電時間就越短。

2　減緩蓄電池衰減速度的有效方法

電池差異性衰減包括內因和外因兩個方面。內因是電池本身固有的，主要與電池的生產制造工藝的一致性水平有關，電池一旦封裝完畢，導致容量差異衰減的內因就基本固定了。電池使用期間，環(huán)境溫度、散熱環(huán)境以及充放電電壓和電流對電池的容量差異性衰減影響最大，是電池差異性衰減的主要外因，其中電池的充放電電壓和充放電電流是最重要的因素，直接引發(fā)電池的過充電、過放電和溫度升高，加速落后電池衰減。電池充放電衰減成因如圖1 所示意。各種應用和實驗表明，通過有效措施控制電池過充電和過放電問題的發(fā)生，能非常有效地減緩整組蓄電池差異性衰減的速度。

3　電池均衡技術對電池電壓的影響

任何一種蓄電池都有一個合理的電壓范圍。最低電壓為放電截止電壓，最高電壓為充電限制電壓。當電池電壓低于放電截止電壓仍繼續(xù)放電時，電池便進入過放電狀態(tài)，加速電池容量衰減，并且易發(fā)生過放電損壞；相反，當電池的電壓高于充電限制電壓仍繼續(xù)充電時，電池便進入過充電狀態(tài)，加速電池容量衰減，并且易發(fā)生過充電損壞。因此，安全使用蓄電池的基本要求是電池電壓應控制在兩個極限電壓之間，防止蓄電池發(fā)生過充電或過放電的極端。對于使用單體蓄電池的設備，配備合適的電池充放電控制設備即可，典型應用是鋰電池保護板，能有效防止鋰電池過充電和過放電，從而達到減緩電池衰減的目的。

相比之下，串聯(lián)電池組中各單體電池的保護就相對復雜得多，采用每只電池都加裝電池保護板的方法不再適用。特別是對于大容量電池組，由于充放電電流都比較大，保護板難以承受大電流的沖擊，另外各單體電池間存在差異，電壓升降速度差異較大，保護板的存在和保護性啟動還會使電池組的充放電電流時斷時續(xù)，電池組無法正常使用。最有效的方法是加裝電池均衡技術裝置，通過電池均衡裝置自動強制所有電池的電壓趨于一致，控制落后電池的發(fā)展。

電池均衡技術分主動均衡技術和被動均衡技術。被動均衡技術通過電阻放電進行均衡，發(fā)熱量高，效率為零，只適用于對中小容量電池組做充電均衡，無法解決衰減電池過放電問題。被動均衡技術對充電電流要求很高，如果充電電流遠遠大于被動均衡電流，被動均衡的實際效果就會大打折扣，過充電問題依舊。另外，當充電均衡啟動時，落后電池與正常容量電池的電壓差可能會很大。而主動均衡技術裝置自主識別組內各電池的電壓狀態(tài)，通過換能器件將高電壓電池的電能轉移輸送到低電壓電池，主動降低電池間的電壓差，實現(xiàn)電池電壓的一致或相近，從而控制了落后電池過充電或過放電問題的發(fā)生，而且發(fā)熱量低，效率高。

轉移式電池均衡器［3］采用自動可變脈沖技術和差異電流技術對電池進行自動均衡，同時解決了電壓均衡［4］、SOC 均衡和容量均衡的問題，能有效減慢落后電池的進一步衰減。這項技術使不平衡電池組中每只電池的充放電電流不再相同，根據(jù)電池的電壓差實行智能差異化管理，而且安裝和使用非常簡單，只需并聯(lián)在電池組的相應連接點上即可，對原電池組電路結構沒有任何改變和影響。充電期間，容量小的電池電壓高，轉移式電池均衡器會對其自動減小充電電流，而容量大的電池電壓低，則對其自動增大充電電流，使所有電池的電壓同步上升，即充電期間對差異化衰減電池減小充電電流，防止其過充電；放電期間，容量小的電池電壓低，轉移式電池均衡器對其自動減小放電電流，容量大的電池電壓高，對其自動增大放電電流，使所有電池的電壓同步下降，即放電期間對差異化衰減電池減小放電電流，防止其過放電；在電池的充放電恢復期和靜止期，通過檢測各相鄰電池的電壓差進行智能電壓均衡和 SOC 均衡，其特殊的脈沖電流對衰減電池具有保養(yǎng)和修復作用。

在均衡器作用下，電池組中“落后”電池雖然仍處于“落后”狀態(tài)，但其充放電電流低于整組電池的充放電電流，均衡器自行識別相鄰電池電壓差的方向和大小，并自動調整差異電流，使實際充放電電流智能減小，降低“落后”電池發(fā)生過放電或過充電危險的概率，降低電池組中落后電池的衰減速度，延長電池組的使用壽命。圖2 中以兩只差異化衰減的電池為例對均衡放電進行了示意。電池數(shù)量多于兩只時，只需對均衡器進行級聯(lián)即可，級聯(lián)圖略。圖2 中，假設電池 B2 容量衰減，箭頭的方向表示電流方向，箭頭的粗細表示電流的大小。I0為電池組的放電電流，電池 B2 的放電電流 IB2很小，低于 I0，不足部分由均衡器提供，IB1為電池B1 的放電電流，大于 I0，多出的部分（IB1-I0）通過均衡器形成均衡電流彌補電池 B2 放電電流的不足，降低電池 B2 的電壓下降速度，實現(xiàn)電池 B1 和 B2 的均衡放電。更多均衡示意圖及原理請參閱參考文獻［5］。

4　實驗數(shù)據(jù)及分析

下面通過實驗樣機在單體 2 V 電池組中的應用實例進行進一步闡述。

實驗電池組選取客戶使用僅一年時間就因放電時間過短返廠待檢修的 2 V 170 Ah 電池，經過簡單篩選，剔除外殼膨脹、完全失效的電池（約占1/4），選擇 24 只重新構成標準串聯(lián)電池組，并按著連接順序依次對電池編號。其它實驗器材及工具包括充放電一體機、數(shù)字電壓表、數(shù)字鉗表以及轉移式電池均衡器實驗樣機。

充電標準：最大充電電流 17 A，限壓 56.4 V （2.35 V×24）充電，充滿電后自動停機；放電標準：恒流放電，電流為 17 A，整組放電至電壓為43.2 V（1.8 V×24）自動停止放電。

4.1充放電實驗

4.1.1電池均衡對電池電壓的影響

實驗步驟：電池組首次充放電，未連接均衡器樣機，記錄充滿電靜置 2 h 后的電壓和放電結束時電壓；首次均衡充電時連接電池均衡器樣機，放電時取下均衡器樣機，記錄對應數(shù)據(jù)；放電結束后直接進行第二次均衡充電、均衡放電（當日溫度不足10 ℃）。全部對應數(shù)據(jù)見表1。從表中的實驗數(shù)據(jù)可以看出，電池均衡器明顯縮小了電池間的電壓差，有效地改善了電池的一致性，提高了整組電池的放電能力。

4.1.2電池均衡對電池充放電流的影響

在電池組恒流限壓充電和恒流放電期間，通過數(shù)字電壓表和數(shù)字鉗表對每只電池的電壓和充放電流進行監(jiān)測。恒流充電期間，電壓相對較低的電池的充電電流明顯高于平均充電電流，監(jiān)測最大充電電流達到 20 A 左右，電壓相對較高的電池的充電電流明顯低于平均充電電流，監(jiān)測最小充電電流在14 A 左右。在充電電流自動調解下，有效地提高了電池的充電效率和充電質量，實現(xiàn)了電池的按需充電，因此大容量電池能夠充滿，小容量電池不被過充，有效充電量增加。充電期間，沒有發(fā)生小容量電池過充電的情況。恒流放電期間，容量較高的電池的放電電流明顯高于平均放電電流，監(jiān)測最大放電電流達到 20.6 A；容量較低的電池的放電電流明顯低于平均放電電流，監(jiān)測最小的放電電流只有12.9 A。小容量電池的放電時間有效地延長了，大容量電池的電量得到有效釋放。

4.1.3電池均衡對電池組放電時間和容量的影響

據(jù)用戶反映，電池返廠主要是由于電池放電時間衰減嚴重，放電時間非常短，甚至不足 1 h。實驗用電池返廠已多日，首次充電后有效放電時間約為 3 h 52 min，計算實際放電容量約為 65.7 Ah。除3#電池發(fā)生了極性反轉外，大部分電池的電壓都在 1.9 V 以上，電量沒有完全釋放，其中 5 只電池的電壓在 2 V 以上，剩余電量較多。

第二次實驗，充電期間接入均衡器樣機，放電時去掉均衡器。有效放電時間達到 5 h 36 min，有效放電時間延長了 45 %，計算實際放電容量約為95.2 Ah。3# 電池性能得到明顯改善，直至放電結束都沒有發(fā)生過放電情況。電池組中沒有電壓高于2 V 的電池。

第三次實驗，充電和放電期間全程連接電池均衡器。電池組的充放電性能進一步改善，充電結束時電壓更加均衡，放電期間電壓變得更加均衡，放電時間超過 5 h。

4.2電池均衡對落后電池的影響

通過三組對照實驗數(shù)據(jù)可以看到，在相同的充放電條件下，借助電池均衡器，落后電池的電化學性能被不同程度恢復。5 只落后嚴重的電池（3#、6#、7#、12# 和 21#）經過兩次充放電循環(huán)后，除12# 電池外，其余 4 只電池都達到了同等放電時間并且處于安全電壓，放電容量和放電能力得到明顯提升，有效放電時間明顯延長。

從實驗數(shù)據(jù)看，電池均衡器樣機對電池組電壓、容量的均衡作用快速、高效。充電均衡階段結束后的電壓差非常小，達到理想狀態(tài)。試驗期間，采用 ABS 塑料外殼的試驗樣機，在接近最大功率連續(xù)均衡的情況下，外殼溫度只是溫熱。

4.3均衡充放電拓展實驗

在第 4.2 節(jié)實驗基礎上，連續(xù)進行了多次循環(huán)均衡充放電實驗，增加了電池組的充放電恢復期和靜止期，均衡器特殊的脈沖技術有效地改善了落后電池的電化學性能，提高了容量，改善了電池的一致性，衰減電池的容量和有效放電時間都有不同程度的提高。

5　結論

蓄電池發(fā)生差異化衰減后，會使電池組內電池表現(xiàn)出明顯的不一致性，引發(fā)落后電池發(fā)生過充電和過放電的概率增大，對于鉛酸蓄電池，加速失水和硫化，甚至引發(fā)熱失控問題，直接影響電池組使用壽命和運行安全。轉移式電池均衡技術的引入明顯地改善了落后蓄電池的電流和電壓工作狀態(tài)，控制了引起電池差異化衰減主要因素中過充電和過放電問題的發(fā)生，有效改善了電池組內電池的一致性，對控制電池熱失控具有重要意義，對落后蓄電池具有很好的保養(yǎng)和部分修復作用，提高了整組電池的放電能力和安全性，降低了電池組運行成本，延長了電池組的使用壽命。

［1］ 程新群. 化學電源［M］. 北京: 化學工業(yè)出版社，2008.

［2］ 陳紅雨， 黃鎮(zhèn)澤， 鄭圣全， 李中奇. 鉛酸蓄電池分析與檢測技術［M］. 北京: 化學工業(yè)出版社， 2011.

［3］ 周寶林， 周全. 2 V 鉛酸蓄電池均衡器: 201520061849.X［P］.

［4］ 周寶林， 周全. 轉移式電池均衡技術對蓄電池組電壓與荷電量影響的研究［J］. 蓄電池， 2015，52（3）: 123-125.

［5］ 周寶林， 周全. 轉移式電池均衡技術研究與應用［J］. 電池工業(yè)， 2014（5/6）: 58-62.

The application of transfer type battery equalization technology in the storage batteries

ZHOU Baolin1， LAI Baohong2， ZHOU Quan3
（1. Daqing Transport Department， Daqing Heilongjiang 163311； 2. Hunan Fengri Power & Electric Co.， Ltd.， Liuyang Huna 410331； 3. Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou Gansu 730070， China）

The problems of inconsistent capacity decay， increased open circuit voltage difference and higher discharge termination voltage difference will occur after the battery cells are used for a period of time. Then the cells will fail early due to reaching the protecting voltage. The bad consistency of production technology is the internal cause of differentiated capacity decay of the batteries， and the relative overcharge and over-discharge are the main external causes. The “weak” cells can be found and located over the current battery management technologies， but won’t address the root of the problems. By transfer type battery equalization technology based on automatic variable pulse technology and differential current technology， the voltages and currents of cells can be equalized and adjusted scientifically and reasonably， the external causes of “weak” cells can be controlled and eliminated， and the thermal runaway can be avoided. In this paper， the role of the transfer type battery equalization technology to improve the consistency of cells is illustrated by the application of the prototype in a battery of2 V cells waiting for repair.

battery equalization； storage battery； thermal runaway； consistency； automatic variable pulse； differential current

TM 912.9

B

1006-0847（2016）04-196-05

2016-04-21