鉅大LARGE | 點擊量：1915次 | 2019年05月06日
高速電池均衡器設計
本文介紹的高速電池均衡器設計，適用于電池組的任何狀態，不僅限于靜態均衡，還包括充電期間、放電期間以及充放電后的恢復期等，只要相鄰電池間的電壓差大于設備設定的電壓差精度，均衡器均根據電壓差大小自動調節均衡電流，按需均衡，提高均衡效率。
摘要：動力電池組的一致性問題不僅影響電池組的動力輸出和續航表現，更嚴重威脅電池組的運行安全，現有技術條件下，公認的理想的解決方案就是電池均衡技術，尤其是高速、高效、實時、轉移式電池均衡技術，其綜合性能的表現最好，特別是在均衡電流、均衡效率以及適應性方面。雙向同步整流技術的引入，使均衡性能又有了質的提升，動力電池組的安全性、動力、續航能力和循環使用壽命明顯提高。
關鍵詞：一致性、電池均衡、雙向同步整流、熱失控
01
動力電池組的一致性問題
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
自蓄電池大規模應用以來，電池組的一致性問題一直困擾著廣大用戶和科技人員，一直在積極尋求最佳解決方案和技術。電池組的一致性問題表面上是發生在電池組本身，但其所帶來的影響和后果卻遠遠超過了電池組自身，熱別是其“熱失控”風險。動力電池組的功率和容量非常大，一旦發生熱失控，所造成的危害通常非常大，因此防控電池組的一致性問題就成了電池組的安全管理問題。
雙向同步整流技術在動力電池組高速電池均衡器中的應用與實踐
動力電池一致性問題亟待解決
通常來說，電池組一致性問題的產生原因有很多種，既包括電池組自身原因，與電池的生產工藝和品控有關，簡稱稱內因；也包括使用期間的外界因素，如溫度、充放電流、充放電壓、充放倍率等等，簡稱外因。大量檢測數據表明，外因是導致電池組一致性快速劣化的主要原因。
02
均衡對一致性問題的影響
電池組一致性變化最明顯的參數是單體電池的電壓和容量，其中最容易測量的數據是電壓，電壓的變化特征實際上也反映出容量的變化特征。舉個例子，“落后”電池的容量通常較小，電壓參數的明顯表現特征是充電時電壓上升速度最快，放電時電壓下降速度最快，都明顯大于平均值，波動非常大。
而對于正常電池，無論是充電期間還是放電期間，電壓表現特征相對穩定，不會發生劇烈變化。既然外因是導致電池組一致性快速劣化的主要原因，那么我們就需要針對外因的變化來適時調節“落后”電池的電壓，使其電壓變化曲線接近于整組電池的平均值，這就是電池均衡，如果能達到這一目的，那么“落后”電池的工作電壓就會與正常電池的電壓保持同步變化。
充電時，電壓上升速度相同；放電時，電壓下降速度相同。電池均衡的作用就是通過自動調節電池間的電量和不同容量電池具有不同的充放電電流，來干預“落后”電池的電壓變化，如果“落后”的電壓與正常電池的電壓始終同步變化，那么電池組在電壓和容量分布上的表現一定是均衡的，這樣的電池組一致性表現一定是良好的。
03
均衡策略的選擇
通過前面的分析可知，均衡的本質是通過調節電量和電流實現電壓均衡，目的就是防止“落后”電池的電壓過低和過高以及過充電和過放電，當“落后”電池與正常電池的差異不大時，較小的均衡電流即可滿足需要，當“落后”電池與正常電池的差異較大時，需要的均衡電流也需要同步增大。
由此可見，均衡技術的一個非常重要的指標就是支持均衡電流的大小或者范圍。現有的電池均衡技術主要包括三類，分別是電阻放電均衡技術、充電均衡技術和轉移式電池均衡技術。其中，電阻放電均衡技術是一種典型的被動均衡技術，僅適用于充電階段、并且是電池差異很小的電池組，通常只在電池臨近充滿時才啟動。
雙向同步整流技術在動力電池組高速電池均衡器中的應用與實踐
常用的鋰電池均衡保護板
也有一種是通過軟件控制技術提前介入，延長均衡時間，加快均衡速度，但這種方案需要解決熱量的有效控制，均衡電流通常都很小，一般為毫安級，通常在100毫安以內，當電池組的差異較大時，這種方案就力不從心、難以支持了，其固有缺陷和最大的軟肋是無法解決小容量電池的過放電難題。
充電均衡技術與電阻放電均衡技術同屬于充電均衡技術范疇，優勢是均衡電流較大，通常可以達到安培級別，效率也較高，產生的熱量較少，對電池組的溫升影響比較小，但其固有缺陷和軟肋同樣是無法解決小容量電池的過放電難題。
轉移式電池均衡技術則是較為完善的方案，不僅同時滿足充電均衡、放電均衡和靜止均衡的需要，而且具有較高的均衡電流和均衡效率，對于穩定電池組運行一致性效果顯著，雖然技術實現難度很大，成本也相對較高，但從電池組對運行安全的關鍵需求來看，它有效解決了電池組因為一致性問題產生的“熱失控”風險和安全隱患問題，是未來的發展方向。
04
高速均衡的設計與實現
從技術原理上來看，轉移式電池均衡技術能快速完成電池組的電壓平衡，較快實現電池組的運行一致性，但從實際應用和各種比對試驗情況來看，實際支持的均衡電流大小和均衡效率的高低直接關系到均衡速度的快慢和電壓一致性的改善。
對于常規串聯電池組，流經每塊電池的電流是相同的，所以充電時，容量小的電池電壓上升速度快，一定會先行充滿電，如果沒有特殊控制，其它電池則無法充滿電，這種情況下電池組的總電壓一定會低于充電控制電壓，充電器會繼續充電，最終會導致容量小的電池過充電而受損，且損傷不可逆。
同樣，放電時，容量小的電池電壓下降速度快，一定會先行放完電，如果沒有特殊控制，其它電池則還有剩余電量沒有釋放，這種情況下，電池組的總電壓一定會高于放電截止電壓，電池組會繼續放電，最終會導致容量小的電池過放電而受損，且損傷不可逆，經過若干個反復充放電后，容量小的電池，容量會加速衰減，最終導致電池組提前報廢。
因此，均衡器的設計必須支持較大的均衡電流才能平衡不同容量電池的電壓差。對于容量不大的電池組，如幾十安時以內，充放電電流通常都比較小，較小的均衡電流通常即可滿足需要，但對于大容量電池組，如幾百安時以上，或者大功率電池組，工作電流通常都比較大，對均衡電流和均衡速度都提出了更高要求，需要高速均衡才能滿足需要。
這里所述的高速均衡包含兩個方面的含義：一是較小的電壓差下即可實現較高的均衡電流，電壓差增大，均衡電流同步增大；二是必須具備較高的電能轉換效率，防止均衡設備產生的熱量影響電池組。
基于這一原則，對高速均衡器設計就提出更高的要求，首先是均衡電流要足夠大，傳統的轉移式均衡設計，通常采用二極管進行續流，考慮到電壓降和損耗，多采用壓降較低的肖特基二極管，盡管如此，在大電流時的損耗仍非常大，不僅設備溫升大，給電池組帶來額外的溫升，也為自身的安全穩定運行帶來危險。
可見，對于高速均衡方案，采用續流二極管設計不僅無法實現大均衡電流，也無法實現較高的電能轉換效率，必須采用全新的換能設計方案。我們都知道，在大電流輸出的直流電源中，通常都采用同步整流設計方案，利用功率場效應管的導通壓降小的特點代替續流二極管，以獲得高效率下的大電流輸出能力。
因此，如果能將同步整流設計思想和技術移植到電池均衡設計中，那么無論是均衡電流還是轉換效率，都將得到跨越式的提高。為此，根據高速均衡的要求，作者歷時多年潛心研究，開發出一種獨特的雙向同步整流專利技術，分別應用于單體2V鉛酸蓄電池組高速均衡器和鋰電池組高速均衡器的設計上，連續最大均衡電流達到20安培以上，遠遠超過國內已知電池均衡器的均衡電流，并且設備溫升在滿負荷下仍處于合理范圍內。
大量的實驗和應用測量數據表明，無論是動態反應速度、電壓差控制、還是電能轉換效率都完全符合高速均衡的設計要求。
05
高速均衡實驗測試
下面，以單體2V鉛酸蓄電池組高速均衡器在某基站24串單體2V600Ah電池組的靜態均衡應用實驗測量數據進行分析，實驗電池組如圖所示，電池組上的附加裝置為2V鉛酸蓄電池專用均衡器樣機，設計連續最大均衡電流10-12安培，短時間內可以達到20安培以上。
接入電池均衡器前，最大電壓差接近0.14V，一致性較差，遠遠超過30毫伏電壓差的行業規范標準，接入均衡器樣機后，在強大的均衡電流作用下，電壓差立刻開始縮小，電壓一致性迅速得到改善，隨著時間的延長，最大電壓差進一步縮小，均衡電流也逐漸降低，24小時后的測量數據顯示，最大電壓差只有10毫伏，已經優于規范標準，電壓一致性問題消除，具體測量數據見附表。
實際測量數據顯示，浮充狀態下的電池組，9#電池的電壓最高，高于平均電壓79mv，20#電池的電壓最低，低于平均電壓60mv，隨著均衡器的介入，所有電池的電壓都迅速向著平均電壓靠近，其中9#和20#電池的電壓變化率最大，這是因為9#和20#電池與相鄰電池的電壓差較大，均衡電流較大，對電荷、電量的調整速度塊的緣故。
本文介紹的高速電池均衡器設計，適用于電池組的任何狀態，不僅限于靜態均衡，還包括充電期間、放電期間以及充放電后的恢復期等，只要相鄰電池間的電壓差大于設備設定的電壓差精度，均衡器均根據電壓差大小自動調節均衡電流，按需均衡，提高均衡效率。限于篇幅，這種專用高速電池均衡器在本電池組上的充放電均衡數據略。
雙向同步整流技術在動力電池組高速電池均衡器中的應用與實踐
實驗電池組
雙向同步整流技術在動力電池組高速電池均衡器中的應用與實踐
實驗電池組靜態均衡電壓情況表
06
高速均衡的意義與展望
動力電池組的作用不言而喻，長期以來，實現其安全、高效運行管理一直是人們的關注重點，對于動力電池組，電池組運行安不安全，電池組的安全放電時間或者續航是否穩定一直是人們最關注的重點。
電池組運行的最大風險是熱失控，熱失控、安全放電時間以及續航是否穩定都與電池組的一致性好壞直接關聯，由此可見，一致性問題管理是電池組管理的難點和關鍵所在。本文所述高速電池均衡器的功能設計目的就是解決電池組的一致性問題。
未來，隨著動力電池組應用范圍的擴大，特別是退役電池在大功率、大容量儲能、基站等的規模梯次利用，一致性問題將會進一步凸顯出來，安全問題再次擺在人們的面前，特別是梯次電池利用的一致性問題而引發的安全問題將會更加突出，迫切需要從自動控制技術上予以解決。高速電池均衡技術的突破和研制成功必將為電池組的安全運行管理帶來全新的理念和曙光。
參考文獻：
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
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
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
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