[摘要]大功率、大容量電池組的充放電電流通常都非常大，電池內阻的存在會使電池在充放電時發熱，當電池發生較為明顯的衰減后，內阻增大，發熱量增加明顯，熱失控風險加大，傳統的被動均衡和充電均衡由于自身技術缺陷，分流能力弱，難以滿足抑制熱失控的需要，而轉移式實時電池均衡技術其特有的技術優勢，自動調節電池的充放電電流，降低衰減電池的充放電溫升，擬制熱失控作用明顯，實例表明，這一技術對于解決大功率儲能、動力電池組的安全運行意義重大。

 

       關鍵詞：電池均衡，等倍率，雙向同步整流

 

      01

      熱失控

 

       在鋰電池沒有大規模應用在儲能和動力電池組商用以前，熱失控是指鉛酸電池在充電時，電流和溫度均升高且互相促進的現象。最終可能導致鉛酸電池膨脹、燒毀。隨著鋰電池的大規模商用，熱失控在鋰電池組中的顯現更加明顯，通常發生在充電和放電期間，特別是以充電期間發生熱失控的概率更高一些，鋰電池發生熱失控后，其產生的危害、造成的后果、危險甚至超過鉛酸蓄電池。

 

       特別是容量和功率巨大的的儲能、動力電池組，主要是因為鋰電池中所使用的鋰元素化學性質非�；顫�，據報道，自2018年5月以來，韓國儲能行業發生了發生了23起嚴重火災。2019年6月11日，韓國政府正式公布調查結果，所有23起儲能系統火災事故中有14起在充電后發生， 6起發生在充放電過程中，因電池充放電原因發生的事故數量和比例占了絕大多數，都是典型的熱失控故障。

       根據官方機構統計，2018年我國新能源汽車起火事件至少發生40起。而今年以來，新能源汽車起火事件依然頻發，在4月21日至4月24日的四天時間內連續發生三起起火事故。與此同時，新能源整車召回事件也頻發，其中因電池安全而引起的召回較2018年明顯增多。業內人士認為，電池安全是新能源汽車起火最關鍵的因素，電池安全管理缺陷，特別是一致性管理難題會導致車輛在使用過程中可能發生電池包內部過熱的現象，存在熱失控起火的安全隱患，是需要重點攻克和解決的難題、課題。

 

      02

      熱失控原因剖析

 

       通過熱失控的成因，我們可以知道，熱失控既可以發生在充電期間，也可以發生在放電期間，它的發生與電流密切關聯，因為只有電流才會引起電池溫度的劇烈變化，下面進行詳細剖析。

 

       首先，鋰電池都是有內阻的，對于鋰離子電池而言,電池內阻分為歐姆內阻和極化內阻。歐姆內阻由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化內阻是指電化學反應時由極化引起的電阻，包括電化學極極化和濃差極化引起的電阻。鋰離子電池的實際內阻是指電池在工作時電流流過電池內部所受到的阻力。

 

       在電池充放電過程中，電池內阻大，會產生大量焦耳熱（根據公式：E=I2RT，其中I是電流，R是內阻，T是時間），引起電池溫度升高，當溫升達到電池的工藝設計極限時，鋰電池就會進入一個異常極端，即熱失控。焦耳熱的另一個計算公式是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，產生的焦耳熱也最多，這就是熱失控通常發生在充電期間的原因。

 

       熱失控通常不會發生在新裝配的電池組上，主要是因為，新裝配的電池組，每個單元電池的內阻都非常小，而且基本相同，大電流下的發熱量都比較小，很快就會散掉。當電池組的一致性出現異常時，變化最為明顯的電氣參數是電池的電壓、內阻、容量，特別是衰減電池，不僅容量降低，而且內阻增大，這一升一降的結果直接影響電池的電壓劇烈波動，導致電池極易進入過充電或過放電狀態，進一步加劇電池組的衰減。

       內阻的差異，使得衰減電池在充放電時的溫升遠遠高于其他正常電池，并在電池組內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。

 

      03

      防范措施

 

       通過前面的分析，我們可以發現，影響電池溫升的核心因素主要有兩個，分別是電流和內阻。當電池發生衰減后，內阻會隨著衰減程度的加劇逐漸增大，無法對其進行任何控制，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，第一種方案是適當降低電池組的充放電電流，減少衰減電池的實際發熱量，進而降低溫升速度，但這樣做會延長充電時間，降低放電功率，可能會降低電池組的實際效能；第二種方案是不改變電池組的充放電電流，通過電池均衡技術調整不同單元電池的實際充放電電流，減少衰減電池的充放電電流，適當增大其它正常電池的充放電電流，最終實現所有不同容量電池電壓同步。

 

      04

      電池均衡技術

 

       電池均衡技術依托于電子技術的發展，主要經歷了三個階段。

第一個階段是被動均衡階段，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。在技術方案上通過“開關管+電阻”的方式對超過充電限制電壓的電池進行被動放電，限制電壓上升速度，這是一種典型的被動均衡技術，內置基準電壓和控制電路，并聯在電池的兩端，當電池的充電電壓達到和超過充電限制電壓時，開關管和電阻工作，對超過限制電壓的電池強制放電。

 

       這種被動均衡方式，由于電能通過電阻放電轉化為熱量釋放掉，電阻長時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，并且由于介入的時機較晚，因而均衡效果不很理想，即使在后來引入了BMS程序控制機制，將介入時機提前，仍無法達到預期效果。

 

       此外，應用上的數據測量也發現，當電池組的充電電流遠遠大于被動均衡電流的情況下，被動均衡的單元電池發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時間處于過充電狀態，導致小容量電池充電時過熱，防過充電的效果遠遠低于預期，被過充電問題依舊持續存在，更重要的是這種均衡方式不支持放電均衡，被強制充電均衡的低容量電池的電量會率先放完電，一旦BMS系統工作失常，低容量電池就會進入過放電狀態，對電池進行二次傷害，加劇低容量電池的衰減。

 

       由于被動放電均衡不支持放電均衡，有廠商通過BMS控制對放電期間大容量電池進行被動放電，努力提高電池間的一致性，雖然在表面上是主動進行一致性控制，但浪費的是寶貴的電能，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寶貴的電能，提升電池組模組的溫度，特別是夏季高溫季節，對預防電池組的“熱失控”極為不利，反而起到推波助瀾的作用。

 

       即便這樣，由于均衡電流實在過小，低容量電池充電時過充，放電時過放弊端還是無法解決，這是被動均衡的局限和必然結果，因此被動均衡僅僅只是一種概念上的宣傳，沒有多大的實際意義。

 

       第二個階段是充電均衡，主要解決被動均衡方案下均衡電流不足和電能利用率低的問題。實質上屬于主動均衡范疇，只在充電期間起作用，高電壓電池（低容量電池充電時電壓相對高）將多余的電量通過轉移的方式回饋到電池組，不再通過轉換成熱量釋放掉，電能利用率有了較大幅度提高，均衡電流有了明顯提高，可以達到安培級別，防過充效果比較顯著，通常只在電壓差較大的情況下才發揮作用，同樣存在均衡介入時機延遲、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險，但因不支持靜態均衡和放電均衡，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。

 

       第三個階段是全過程均衡，主要解決充電、放電、靜止（包括恢復期）期間全過程主動均衡問題，這是一種真正意義上的電池均衡。這項技術是社會對大功率儲能、動力電池組安全、高效運行的需要，特別是預防熱失控的迫切需求，因為傳統的被動均衡和充電均衡技術難以滿足安全需求，性能優異的轉移式電池均衡技術的開發熱潮應運而生，深受研發機構和企業的青睞。

 

       其設計架構和實現的方式多種多樣，既有并聯均衡，也有串聯均衡，均衡電流、均衡效率、均衡能力、實施方式各異，轉移式電池均衡技術的問世，對提高電池組的安全運行系數，提高平均容量利用率，防范低容量電池的過充電和過放電，特別是防控熱失控故障具有重要里程碑的意義，雖然好處多多，但這種電池均衡技術有其自身技術難點。

 

       經過大量研發機構多年研發，已經有若干型號電池均衡產品問世，除了均衡效率、均衡性能還有待進一步提高之外，普遍存在一個明顯缺點，那就是設備復雜、特別是成本過高，用戶接受困難，難以普及，迫切需要一種適應性好、均衡能力強、效率高、成本低的高效電池均衡技術。

 

      05

      轉移式電池均衡技術難點

 

       盡管這種高效電池均衡技術具有非常強大的均衡能效，代表未來電池均衡技術的發展方向，具有廣闊的發展前景，但是從國內外的技術發展情況來看，進展并不順利，困難重重，研發難度遠遠超過研發者的心里預期，從電池組的安全、高效運行需求來看，這種電池均衡技術必須要解決幾個關鍵技術：

 

       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，很小的均衡電流即可滿足需要，當充電中后期或者放電末期電池組的一致性差異增大時，則需要較大的均衡電流強制進行均衡，因此，均衡電流必須適應這種寬幅變化的需要，并且自身應保證安全運行，不會因為電流過載而燒毀。

 

       二是具備較高的均衡效率。當均衡電流較大時，功率元器件的發熱量就要升高，如果設計優秀，功率元器件的執行效率就高，發熱量會降低，不僅會保證均衡效率高，延長設備的使用壽命，還會降低電池組的溫升、衰減速度和熱失控風險；

 

       三是控制成本。目前已上市的電池均衡技術產品普遍價格高昂，主要是其設備成本過高所致，與設計所采用的控制芯片及元器件的成本過高有關；四是適應性問題。例如，同樣是用于鋰電池組均衡，串數較少時均衡效果較為理想，串數增多時均衡效果就嚴重下降，因此有的產品都有電池組串數限制，難以用在多串數儲能、動力電池組。

 

       再如，部分電池均衡器產品對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，當一致性較差，特別是充放電期間電壓差較大時，即使設備的溫升很低也會報警，停止均衡工作，必須通過人工干預將電壓差強制降下來后才能重新啟動均衡器，這種情況下的電池均衡器就表現出較差的適應性，失去了意義。

 

      06

      高效電池均衡技術研發進展及實例

 

       從產品需求的角度，理想的電池均衡技術應盡可能滿足上述需求，但現實中的電池均衡產品通常只能滿足部分指標，因此，大規模應用必然受限。理論上，這種需求的電池均衡技術，通過科學、合理的設計是可以實現的，通過這些年的電池均衡技術發展來看，難度確實比較大，實現較為困難。

 

       作者另辟蹊徑，以一種全新的低成本設計理念開展持續性的電池均衡理論研究和技術驗證，相繼研究出相對電壓差控制理論、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動理論并同步設計出具體實施電路，針對均衡需要解決的主要問題方面全力開展技術攻關，逐一攻克每一個技術難點。

 

       經過持續多年的不懈研究，成功研制出低成本的高效電池均衡技術，期間，為解決均衡電流難以安全、高效提升的問題，獨創性地開發出簡潔、高效的雙向同步整流技術，將均衡電流的支持能力實現質的飛躍，在溫升不變的情況下將均衡電流大幅度提升，在功率開關管沒有任何散熱片的情況下，可以實現5A以上連續均衡電流，實現了均衡電流和均衡效率的大幅度提升。

 

       如果配上簡易的散熱片，就可以支持10安以上連續均衡電流，而且可以進行擴流。通過設計樣機在一致性較差的大功率儲能、動力電池組的大電流充放電測試實驗發現，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，如圖所示。

       這是一組電池均衡技術樣機在24串單體2V800Ah電池組的實驗，接入均衡設備前，最大電壓差高達150mv，是行業標準的6倍，不一致問題非常嚴重，接入均衡實驗樣機24小時后，最大電壓差下降至35mv，72小時后，最大電壓差只有6mv左右，遠遠優于行業標準了。

 

       經過幾個循環的大電流充放電（平均電流90～100Ａ），電壓一致性表現非常理想，符合均衡設計要求。電池均衡技術在大功率儲能、動力電池組上的應用，最主要的功能除了穩定電池組容量、提高容量利用率、抑制一致性問題的擴大外，最重要的功能是防范一致性問題給電池組帶來的安全運行風險，特別是要防范熱失控問題的發生。

 

      07

      遠景

 

       大功率儲能、動力電池組的一致性問題的發生和擴大具有一定普遍性，由此帶來的安全風險問題突出、事故不斷，造成的損失巨大，電池均衡技術特別是高效轉移式實時電池均衡技術是目前的最好解決方案，它的任務和使命是防范低容量電池的被過充電和被過放電，但要真正實現這一功能，任務非常艱巨，雖然現在已經開發出這樣的技術，但距離實際商用、造福社會還有很長的路要走，隨著研發的不斷投入，低成本、高效的電池均衡技術一定會大放光彩。

 

      參考文獻：
 

       [1]周寶林,周全.一種具有雙向同步整流功能的轉移式實時電池均衡器

       [2]周寶林,周全.轉移式電池均衡技術對電池電壓與荷電量影響的研究

       [3]周寶林,周全.轉移式實時電池均衡技術對衰減電池組容量和溫升的影響