單體電池設(shè)計壽命和使用壽命較長,但裝配成電池組后由于衰減速度的差異引發(fā)的一致性和使用壽命短的問題,備受廣大科技人員和用戶的關(guān)注。電池組的一致性問題不僅嚴(yán)重縮短續(xù)航時間,輸出功率快速下降,嚴(yán)重的還會引發(fā)熱失控故障甚至事故。引發(fā)電池衰減差異的原因非常復(fù)雜,既有電池自身(俗稱內(nèi)因)原因引起的衰減差異,也有使用期間的外界因素(俗稱外因),特別是充放電電壓、充放電電流、溫度差異等,外因與內(nèi)因相互促進,最終導(dǎo)致電池組的快速衰減。其中,外因是電池組快速衰減的重要因素。

電池衰減成因

關(guān)于蓄電池,無論使用與否,它都會隨著時間的流逝而出現(xiàn)衰減,包括容量的衰減、內(nèi)阻的增大、自放電率的變化等等。內(nèi)因關(guān)于電池的衰減是緩慢的,接近于日歷衰減,與外因引起的衰減速度相比幾乎可以忽略不計,外因才是造成電池衰減的重要成因。最重要的影響因素是對電池施加用途的充放電電壓、充放電電流以及環(huán)境溫度,這些因素都會直接影響電池的充電限制電壓和放電截止電壓,當(dāng)施加于電池的端電壓大于充電限制電壓或放電時的端電壓低于放電截止電壓時,電池會受到不可恢復(fù)的損傷,并且這個電壓差值越大,電池受到的傷害越重,直至失效或報廢。同樣,施加于電池的充放電電流也是影響電池電壓的重要因素,特別是關(guān)于衰減電池的影響非常大,由于容量的降低,在較大的充放電電流下,衰減電池的電壓上升速度和下降速度高于正常容量電池,容易導(dǎo)致衰減電池過充電及過放電,過充電和過放電是電池衰減和損壞的殺手。另外,衰減電池的內(nèi)阻明顯高于正常電池,衰減越嚴(yán)重,相對應(yīng)的內(nèi)阻越大,在較大充放電電流下,衰減電池的溫升加速,溫升反過來又加速電池衰減,最終形成惡性循環(huán)。

電池組衰減速度高于單體電池的成因及防范策略

評價電池充放電速度快慢有一個專用名詞,稱之為倍率,倍率反映的是電池充放電速度,涉及到兩個重要參數(shù),分別是充放電電流和電池容量,換算公式為:倍率=電流&pide;容量,由此可見,倍率的大小與電池的充放電電流成正比,與電池的容量成反比。在單電池供電設(shè)備中,電池的充放電電流或倍率通常處于某一范圍內(nèi),對充電限制電壓和放電截止電壓很容易進行控制,不易發(fā)生過充電或過放電的情況,因而電池實際使用壽命通常都比較長,而關(guān)于多串電池組,在沒有任何均衡裝置干預(yù)的情況下,無法單獨控制每一塊電池的充電限制電壓和放電截止電壓,衰減電池極容易進入極端狀態(tài)而受損,同時對其它電池又出現(xiàn)連鎖反應(yīng),影響其它電池的正常充放電工作,這種影響是非線性的,幾乎呈指數(shù)式加速狀態(tài),一旦有一塊電池受損(實驗發(fā)現(xiàn),一次嚴(yán)重的過放電即可造成鋰離子電池的嚴(yán)重衰減甚至永久報廢),整組電池的容量、性能加速下降。某電池一旦發(fā)生衰減,其實際充放電倍率將是組內(nèi)最高的,這又進一步加快其衰減速度,充電時快速進入過充電狀態(tài),放電時又快速進入過放電狀態(tài),如此持續(xù)幾個充放電循環(huán)后,衰減電池的容量將急劇下降,內(nèi)阻急劇上升,內(nèi)阻引起的內(nèi)部損耗增大,對整個電池組的負(fù)面影響是非常明顯的,導(dǎo)致有效放電時間迅速縮短,有效放電容量迅速下降(充電容量也隨之下降),輸出功率下降,因此,電池組的衰減速度遠(yuǎn)高于單電池供電設(shè)備的電池衰減速度。

根據(jù)前面的分析可知,電池組嚴(yán)重衰減后的表現(xiàn)重要有以下幾種:一是充放電容量減少;二是充放電時間縮短;三是帶負(fù)載能力變差;四是充放電溫升加速。無論是哪種變化,衰減電池都會通過端電壓表現(xiàn)出來,在充放電的情況下,衰減嚴(yán)重的電池與正常電池或衰減輕微電池間的電壓差異表現(xiàn)明顯,這種差異的表現(xiàn),實質(zhì)就是容量差異以及內(nèi)阻差異的外在表現(xiàn),體現(xiàn)電池的一致性差異,防范電池組快速衰減就必須解決電池電壓的一致性問題,防止電池發(fā)生過充電和過放電極端。基于目前的電池管理技術(shù),只有轉(zhuǎn)移式實時電池均衡技術(shù)才能實現(xiàn)這一目標(biāo)。

實驗電池組采用退役的鋰離子電池組組裝,2并4串結(jié)構(gòu),每2并電池作為一個整體,如圖1所示電池組下面的設(shè)備為本文鋰離子電池均衡器樣機。室溫環(huán)境下的2A放電檢測剩余容量分別為1#:2.58Ah,2#:2.09Ah,3#:1.50Ah,4#:2.51Ah,來自多個電池廠商。實際剩余容量分別只有設(shè)計容量的58.6%、47.5%、34.1%和57.1%,從實際剩余容量來看,均已達(dá)到淘汰標(biāo)準(zhǔn),整組充電標(biāo)準(zhǔn)為恒流限壓充電,恒流充電電流為2A,整組限壓16.8V,當(dāng)任意電池的電壓充電至4.20V時,整組電池停止充電。放電標(biāo)準(zhǔn)為2A恒流放電,整組電池放電終止電壓限定為12.0V,當(dāng)任意電池的電壓放電至3.00V時,整組電池停止放電,循環(huán)均衡充放電次數(shù)30次。在正常工作中，負(fù)極板上的PbSO4顆粒小，放電很容易恢復(fù)為絨狀鉛，但有的時候電池內(nèi)部生成了難以還原的硫酸鉛，稱為硫酸鹽化。

引起負(fù)極鹽化的原因很多，諸如放電后不能及時充電，電池長期擱置，引起嚴(yán)重的自放電，電解液濃度過高，長期充電不足，高溫下長期放電，這種硫酸鉛用常規(guī)方法很難還原，這樣活性物質(zhì)的減少勢必影響到水電瓶的容量。