干货 | 等倍率充放电对电池组一致性改善的测试及数据分析
作者：周宝林 周全 来源：动力电池网
电池衰减速度的差异，是电池组形成一致性差异的根本原因，而电池的衰减与电池的充放电电压、充放电电流、充放电倍率、环境温度具有直接的连带关系，实践证明，充放电倍率对于蓄电池衰减速度影响非常大，当电池的充放电倍率差异过大时，加剧电池组的一致性差异和衰减。
本文通过对充放电倍率对电池衰减的分析，提出通过等倍率充放电来降低小容量电池衰减速度的思想，借助高效转移式电池均衡器对差异巨大电池组的循环充放电实验，对等倍率充放电理论进行了验证。实验证明，等倍率充放电是控制电池衰减、提高容量利用率的最有效手段。
关键词：电池衰减，充放电倍率，等倍率，电池均衡
1、充放电倍率差异对电池组一致性的影响
大功率储能、动力电池组均为串联结构，为获得更大容量，有时还要采取多并多串结构，电池配组后，我们期望的结果是电池组的充放电容量稳定、各单元电池的电压近似相同，电池组的使用寿命接近单个电池的设计使用寿命，不发生明显的电压一致性问题，充电时电压同步上升，没有电池发生过充电问题；放电时电压同步下降，没有电池发生过放电问题。
但现实却是残酷的，大量的使用数据显示，电池组的满功率实际循环使用寿命通常只有单体电池设计寿命的1/5～1/3,远远达不到设计要求，问题严重的还会发生“热失控”故障并引发安全事故。而导致电池组寿命短的最根本的原因，就是电池组的一致性问题未能得到根本解决。
电池组的一致性问题发生的原因非常复杂，既有电池生产制造工艺上的原因，简称内因，无法改变。如内阻、自放电率（自身漏电）、容量等参数的差异，也有使用期间的外界环境因素，简称外因，如环境温度、充放电电压、充放电电流、充放电倍率等。综合来看，外因对一致性的影响更大，是需要重点关注和解决的，通过技术手段可以进行优化和解决。
我们知道，充放电电流与于放电倍率密切关联，在充放电流不变的情况下，电池的容量就起到了决定性因素，容量越大，充放电倍率越小；容量越小，充放电倍率越大。同时充放电倍率又直接影响到电池的温升、电压升降速度以及充放电限制电压等等，相互关系如图1所示：
图1 充放电倍率对电池衰减影响示意图
充放电倍率差异形成机理表明，小容量电池的充放电倍率逐渐上升与其容量不断降低直接关联，二者互相促进，进入恶性循环。由此可以得出结论，控制电池的充放电倍率是防控电池衰减的关键。
大量实验数据表明，充放电倍率对于锂离子电池衰降速度具有极大的影响，趋势和结论是：充放电倍率越大，电池衰减速度越快，标准充放电倍率及以下，电池的衰减速度最小。可见，合理控制电池的充放电倍率是保证电池循环使用寿命的保证，特别是放电倍率。如图2所示：
图2 放电倍率对某类型锂电池循环使用寿命的影响
新装配电池组，由于电池多为同一批次，每块电池的容量、内阻和电压都接近，实际放电倍率和输出功率都基本相同，因此电池组的动力输出表现和续航时间最佳，使用上的表现为新电池非常耐用。但是由于电池间的个体差异、工作环境温度、充放电电流、过充过放等因素影响，经过多次充放电循环后，个体间的差异会逐渐扩大。
主要表现在容量、电压、内阻等差异越来越大，使得电池间充放电倍率差异增大，未衰减或轻微衰减电池的充放电倍率基本不变，衰减电池的充放电倍率则明显增大，衰减越严重，实际充放电倍率越大，温升越明显，不同的温升还会进一步加剧电池的差异化衰减。
充放电倍率包括充电倍率和放电倍率。在应用和实践中，人们往往重视放电倍率，却忽视了充电倍率，事实上，高充电倍率同样是造成电池一致性问题的重要原因。高倍率充电会使衰减电池（小容量电池）经常发生过充电，加剧小容量电池的衰减，并形成恶性循环。
恶性循环的最严重后果是充电时电池温度急剧升高，继而可能引发电池组发生爆炸、火灾等事故，这种案例非常多。此外，充电倍率差异过大还会使电池组的可用容量越来越小，低衰减或未衰减电池的容量无法得到有效利用。
高倍率放电加剧小容量电池的衰减，特别是放电期间，如果不能进行有效控制，小容量电池极易发生过放电，形成不可恢复性损伤，衰减加速，放电期间，温升明显超过其它电池，进一步加速小容量电池的衰减并进入恶性循环。
由此可见，控制小容量电池的充放电倍率，对于延长电池组循环使用寿命是非常重要的。大量研究实验及应用表明，当充放电倍率和截止电压超过一定数值时，电池衰减加速，为了降低电池的衰减速率，需要选择合适的充放电倍率和高效控制截止电压。
2、等倍率均衡充放电实现机理及实例
通过前面的示意图不难看出，降低充放电倍率，即降低衰减电池的充放电电流是解决电池快速衰减的关键，科学实践证明，分流是最佳技术手段，通过自动化技术自动提高大容量电池的充放电流，降低小容量电池的充放电电流予以实现，即均衡充放电。
通过分流技术调整电池的充放电电流，就是在电池上并联一种自动调整装置，通过装置的智能化操作自动调节每一块电池的工作电流，实现自动分流。即充电期间，自动对容量大的电池提高充电电流，对容量小的电池减小充电电流，进行等倍率充电；放电期间，自动对容量大的电池提高放电电流，对容量小的电池减小放电电流，进行等倍率放电。
基于上述原理，下面结合具体实例和测量数据进行说明。为使实验测量数据明显地反映出分流效果，采用容量非常悬殊的两块锂电池组建串联电池组， B1电池（绿色18650型号）容量约1Ah，B2电池（蓝色方形）容量约为11Ah，使用双向同步整流技术的高速、高效电池均衡器[1]样机（支持10A以上连续均衡电流），两块万用表测量电池的实时电压，使用钳形表检测电池的实际放电电流，充电器型号DPS-305BF，恒流负载型号3710A。
2.1 大电流均衡充电实验
对该电池组进行4A恒流充电期间，在均衡器的强大分流、均衡作用下，B2电池的实际充电电流远远大于充电总电流，高达7.13A，图3所示，本应通过B1电池的4A电流，实际上只有0.66A左右（图略），剩余的3.34A（4A-0.66A=3.34A）电流通过均衡器转换输送到B2电池，增加B2电池的充电电流，两块电池的实际充电电流相差6.57A，相差近11倍，非常悬殊。
通过计算，B1电池的实际充电倍率约为0.66（0.66/1=0.66）C，B2电池的实际充电倍率约为0.65（6.57/11=0.65）C，去除测量误差影响，两块电池的充电倍率基本相同。图中还可以看到，尽管两块电池的充电电流非常悬殊，但是两块电池的相对电压差却非常小，只有70mv左右，温升基本相同，B1电池的实际充电电流大幅度降低，因内阻原因产生的热量大幅度降低，消除了潜在的热失控风险。
图3充电电流4A情况下B2电池的实际充电电流达到7.13A
2.2 大电流均衡放电实验
在大电流恒流均衡放电实验期间，将总放电电流提高至5A，此时，均衡器的均衡电流高达9.08A，如图4所示，经测量，电池B1和B2的实际放电电流分别为0.87A和9.82A（图略），通过计算得知B1和B2电池的放电倍率分别为0.87C和0.89C，去除测量误差，放电倍率基本相同，直至放电结束，两块电池的放电温升仍基本相同，B1电池实际放电电流大幅度下降，因内阻原因引起的温升大幅度降低，直接消除了温升引起的热失控隐患。
图4放电电流5A情况下B2电池的实际放电电流达到9.08A
均衡放电实验表明，均衡器的介入，对于控制不同容量电池实行等倍率放电的作用是明显的，小容量电池的实际放电电流显著低于大容量电池的实际放电电流，不仅有效预防小容量电池过放电，而且提高了大容量电池的容量利用率，意义重大。
3、拓展实验情况及分析
在均衡放电期间及结束时，两块电池的电压一直处于安全、低压差状态，B1电池未进入放电截止电压区间，整组电池表现出良好的均衡放电特征，即使在全程使用5A恒流放电至放电结束的情况下，B1电池也没有出现温度升高的情况，控制温升效果显著。
作为对照，对放电结束的电池组在保持均衡器实验样机的情况下，以5A恒流充电至自动切换恒压充电期间，本应通过B1电池的的5A电流，实测最大充电电流只有0.84A左右，折合最大充电倍率约0.84C，而B2电池的实测充电电流高达8.8A左右，折合最大充电倍率约0.80C，两块电池的充电倍率非常接近，电压上升速度也基本相同，最大电压差只有0.11V左右，B1电池的最高电压也只有4.23V左右，始终处于安全电压以内，均衡器样机在连续大电流均衡的情况下只有微量的温升。
在转入恒压充电期间，随着充电电流的减小，均衡电流和电压差同步减小。当将B1电池更换为较大容量的电池时，并且电池均衡器不变的情况下，在进行相同的3A、4A和5A恒流充放电时，充放电流明显增大，补充电流和分流电流明显缩小，但两块电池的的充放电倍率仍基本相同，均衡器同样几乎感觉不到温升，可见均衡器的电流自动调节能力直接影响电池的充放电倍率。
均衡充放电实验表明，小容量电池实现了少充少放，大容量电池实现了多充多放，不同容量电池实现了近似等倍率充放电，在均衡电压的同时，也同时对电池的容量和SOC[2]进行了均衡，对于防控小容量电池的过充电和过放电，以及提高大容量电池的容量利用率效果显著。
电池组的一致性问题是一个无法回避的现实难题，只要是串联电池组就一定存在，只是轻重程度不同而已，并且会随着时间的推移逐渐加重，如果从电池成组就通过通过主动均衡予以干预，那么一致性问题的发生就会大大延后，甚至不会发生一致性问题，通过各种对照实验，具有实时均衡功能的转移式动态电池均衡技术在控制电池充放电倍率方面的表现最佳。
当电池出现不一致情况时自动进行小电流均衡，充放电后期或者剧烈电流波动导致电池间电压差拉大时，均衡电流同步自动加大，自动降低小容量电池充放电电流和充放电倍率，不仅主动预防了小容量电池的过充电和过放电问题，还提高了大容量电池的容量利用率，消除“木桶效应”带来的容量短板问题，保证电池组的充电容量和放电容量稳定，不仅解决了衰减问题、一致性问题，还提高了容量的利用率，特别是有效防控了热失控风险，提高了电池组的运行安全性。
4、展望
为便于阐述，增大测量数据的反差，提高视觉效果，本文只进行了2串容量悬殊电池组等倍率均衡放电实验，并进行了相应的数据分析，鉴于实验电池均衡器的工作原理，适合于任意串电池组，主动调节多串电池组中不同容量电池的充放电倍率的原理是相同的。
高效大功率电池均衡器的介入和干预，不仅实现了不同容量电池的的等倍率充放电，而且能够显著降低小容量电池的工作温升和衰减速度，对于防止电池热失控、提高电池组的安全、稳定运行作用明显，特别是对于大功率动力电池组以及大规模梯次电池的二次利用具有重要意义。
来源：动力电池网