转移式电池均衡技术在蓄电池组中的应用

周宝林，赖宝洪，周全（. 大庆市交通运输局，黑龙江 大庆 6；. 湖南丰日电源电气股份有限公司，湖南浏阳 40；. 兰州交通大学，甘肃 兰州 70070）

转移式电池均衡技术在蓄电池组中的应用

周宝林1，赖宝洪2，周全3
（1. 大庆市交通运输局，黑龙江 大庆 163311；2. 湖南丰日电源电气股份有限公司，湖南浏阳 410331；3. 兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）

成组使用的蓄电池在使用一段时间后会出现容量衰减不一致、开路电压差加大、放电终止电压差更大的问题，提前到达保护电压而失效。生产技术的一致性差是蓄电池组产生差异性衰减的内因，相对的过充电和过放电是电池差异性衰减的主要外因。目前的电池管理技术能够发现和定位落后电池，但对延缓或减轻电池的进一步落后无法从根本上解决问题，转移式电池均衡技术运用自动可变脉冲技术和差异化电流技术对电池的电压和电流进行科学、合理的均衡调节，控制和消除电池落后的外因，防止热失控。本文通过该技术样机在一组单体 2 V 待检修蓄电池组上的应用来说明这项技术对改善电池一致性的作用。

电池均衡；蓄电池组；热失控；一致性；自动可变脉冲；差异化电流

1　蓄电池衰减成因及特征

蓄电池以其容量大、内阻小、能够反复充放电而深受用户青睐［1］。但是随着充放电循环次数的增加和环境温度的变化，电池组个体电池的容量会发生不同速度和程度的衰减，影响较大的因素主要包括充放电电流、电压和环境温度［2］。

落后电池如果充放电电流过大，容易使电池过热，温度升高，电池电化学反应强烈；充电电压过高，容易使电池过充电，造成失水；放电时，落后电池的放电电压过低，容易使个体电池过放电：这些因素会加速个体电池容量衰减，造成整组电池放电终止。

落后个体电池容量衰减后会表现出明显特征：一是电池的充放电电压变化异常。充电期间，电压上升速度快；放电期间，电压下降速度快。二是电池的有效放电时间缩短，在负载不变的情况下，放电时间逐次缩短，衰减越严重，整组电池有效放电时间就越短。

2　减缓蓄电池衰减速度的有效方法

电池差异性衰减包括内因和外因两个方面。内因是电池本身固有的，主要与电池的生产制造工艺的一致性水平有关，电池一旦封装完毕，导致容量差异衰减的内因就基本固定了。电池使用期间，环境温度、散热环境以及充放电电压和电流对电池的容量差异性衰减影响最大，是电池差异性衰减的主要外因，其中电池的充放电电压和充放电电流是最重要的因素，直接引发电池的过充电、过放电和温度升高，加速落后电池衰减。电池充放电衰减成因如图1 所示意。各种应用和实验表明，通过有效措施控制电池过充电和过放电问题的发生，能非常有效地减缓整组蓄电池差异性衰减的速度。

3　电池均衡技术对电池电压的影响

任何一种蓄电池都有一个合理的电压范围。最低电压为放电截止电压，最高电压为充电限制电压。当电池电压低于放电截止电压仍继续放电时，电池便进入过放电状态，加速电池容量衰减，并且易发生过放电损坏；相反，当电池的电压高于充电限制电压仍继续充电时，电池便进入过充电状态，加速电池容量衰减，并且易发生过充电损坏。因此，安全使用蓄电池的基本要求是电池电压应控制在两个极限电压之间，防止蓄电池发生过充电或过放电的极端。对于使用单体蓄电池的设备，配备合适的电池充放电控制设备即可，典型应用是锂电池保护板，能有效防止锂电池过充电和过放电，从而达到减缓电池衰减的目的。

相比之下，串联电池组中各单体电池的保护就相对复杂得多，采用每只电池都加装电池保护板的方法不再适用。特别是对于大容量电池组，由于充放电电流都比较大，保护板难以承受大电流的冲击，另外各单体电池间存在差异，电压升降速度差异较大，保护板的存在和保护性启动还会使电池组的充放电电流时断时续，电池组无法正常使用。最有效的方法是加装电池均衡技术装置，通过电池均衡装置自动强制所有电池的电压趋于一致，控制落后电池的发展。

电池均衡技术分主动均衡技术和被动均衡技术。被动均衡技术通过电阻放电进行均衡，发热量高，效率为零，只适用于对中小容量电池组做充电均衡，无法解决衰减电池过放电问题。被动均衡技术对充电电流要求很高，如果充电电流远远大于被动均衡电流，被动均衡的实际效果就会大打折扣，过充电问题依旧。另外，当充电均衡启动时，落后电池与正常容量电池的电压差可能会很大。而主动均衡技术装置自主识别组内各电池的电压状态，通过换能器件将高电压电池的电能转移输送到低电压电池，主动降低电池间的电压差，实现电池电压的一致或相近，从而控制了落后电池过充电或过放电问题的发生，而且发热量低，效率高。

转移式电池均衡器［3］采用自动可变脉冲技术和差异电流技术对电池进行自动均衡，同时解决了电压均衡［4］、SOC 均衡和容量均衡的问题，能有效减慢落后电池的进一步衰减。这项技术使不平衡电池组中每只电池的充放电电流不再相同，根据电池的电压差实行智能差异化管理，而且安装和使用非常简单，只需并联在电池组的相应连接点上即可，对原电池组电路结构没有任何改变和影响。充电期间，容量小的电池电压高，转移式电池均衡器会对其自动减小充电电流，而容量大的电池电压低，则对其自动增大充电电流，使所有电池的电压同步上升，即充电期间对差异化衰减电池减小充电电流，防止其过充电；放电期间，容量小的电池电压低，转移式电池均衡器对其自动减小放电电流，容量大的电池电压高，对其自动增大放电电流，使所有电池的电压同步下降，即放电期间对差异化衰减电池减小放电电流，防止其过放电；在电池的充放电恢复期和静止期，通过检测各相邻电池的电压差进行智能电压均衡和 SOC 均衡，其特殊的脉冲电流对衰减电池具有保养和修复作用。

在均衡器作用下，电池组中“落后”电池虽然仍处于“落后”状态，但其充放电电流低于整组电池的充放电电流，均衡器自行识别相邻电池电压差的方向和大小，并自动调整差异电流，使实际充放电电流智能减小，降低“落后”电池发生过放电或过充电危险的概率，降低电池组中落后电池的衰减速度，延长电池组的使用寿命。图2 中以两只差异化衰减的电池为例对均衡放电进行了示意。电池数量多于两只时，只需对均衡器进行级联即可，级联图略。图2 中，假设电池 B2 容量衰减，箭头的方向表示电流方向，箭头的粗细表示电流的大小。I0为电池组的放电电流，电池 B2 的放电电流 IB2很小，低于 I0，不足部分由均衡器提供，IB1为电池B1 的放电电流，大于 I0，多出的部分（IB1-I0）通过均衡器形成均衡电流弥补电池 B2 放电电流的不足，降低电池 B2 的电压下降速度，实现电池 B1 和 B2 的均衡放电。更多均衡示意图及原理请参阅参考文献［5］。

4　实验数据及分析

下面通过实验样机在单体 2 V 电池组中的应用实例进行进一步阐述。

实验电池组选取客户使用仅一年时间就因放电时间过短返厂待检修的 2 V 170 Ah 电池，经过简单筛选，剔除外壳膨胀、完全失效的电池（约占1/4），选择 24 只重新构成标准串联电池组，并按着连接顺序依次对电池编号。其它实验器材及工具包括充放电一体机、数字电压表、数字钳表以及转移式电池均衡器实验样机。

充电标准：最大充电电流 17 A，限压 56.4 V （2.35 V×24）充电，充满电后自动停机；放电标准：恒流放电，电流为 17 A，整组放电至电压为43.2 V（1.8 V×24）自动停止放电。

4.1充放电实验

4.1.1电池均衡对电池电压的影响

实验步骤：电池组首次充放电，未连接均衡器样机，记录充满电静置 2 h 后的电压和放电结束时电压；首次均衡充电时连接电池均衡器样机，放电时取下均衡器样机，记录对应数据；放电结束后直接进行第二次均衡充电、均衡放电（当日温度不足10 ℃）。全部对应数据见表1。从表中的实验数据可以看出，电池均衡器明显缩小了电池间的电压差，有效地改善了电池的一致性，提高了整组电池的放电能力。

4.1.2电池均衡对电池充放电流的影响

在电池组恒流限压充电和恒流放电期间，通过数字电压表和数字钳表对每只电池的电压和充放电流进行监测。恒流充电期间，电压相对较低的电池的充电电流明显高于平均充电电流，监测最大充电电流达到 20 A 左右，电压相对较高的电池的充电电流明显低于平均充电电流，监测最小充电电流在14 A 左右。在充电电流自动调解下，有效地提高了电池的充电效率和充电质量，实现了电池的按需充电，因此大容量电池能够充满，小容量电池不被过充，有效充电量增加。充电期间，没有发生小容量电池过充电的情况。恒流放电期间，容量较高的电池的放电电流明显高于平均放电电流，监测最大放电电流达到 20.6 A；容量较低的电池的放电电流明显低于平均放电电流，监测最小的放电电流只有12.9 A。小容量电池的放电时间有效地延长了，大容量电池的电量得到有效释放。

4.1.3电池均衡对电池组放电时间和容量的影响

据用户反映，电池返厂主要是由于电池放电时间衰减严重，放电时间非常短，甚至不足 1 h。实验用电池返厂已多日，首次充电后有效放电时间约为 3 h 52 min，计算实际放电容量约为 65.7 Ah。除3#电池发生了极性反转外，大部分电池的电压都在 1.9 V 以上，电量没有完全释放，其中 5 只电池的电压在 2 V 以上，剩余电量较多。

第二次实验，充电期间接入均衡器样机，放电时去掉均衡器。有效放电时间达到 5 h 36 min，有效放电时间延长了 45 %，计算实际放电容量约为95.2 Ah。3# 电池性能得到明显改善，直至放电结束都没有发生过放电情况。电池组中没有电压高于2 V 的电池。

第三次实验，充电和放电期间全程连接电池均衡器。电池组的充放电性能进一步改善，充电结束时电压更加均衡，放电期间电压变得更加均衡，放电时间超过 5 h。

4.2电池均衡对落后电池的影响

通过三组对照实验数据可以看到，在相同的充放电条件下，借助电池均衡器，落后电池的电化学性能被不同程度恢复。5 只落后严重的电池（3#、6#、7#、12# 和 21#）经过两次充放电循环后，除12# 电池外，其余 4 只电池都达到了同等放电时间并且处于安全电压，放电容量和放电能力得到明显提升，有效放电时间明显延长。

从实验数据看，电池均衡器样机对电池组电压、容量的均衡作用快速、高效。充电均衡阶段结束后的电压差非常小，达到理想状态。试验期间，采用 ABS 塑料外壳的试验样机，在接近最大功率连续均衡的情况下，外壳温度只是温热。

4.3均衡充放电拓展实验

在第 4.2 节实验基础上，连续进行了多次循环均衡充放电实验，增加了电池组的充放电恢复期和静止期，均衡器特殊的脉冲技术有效地改善了落后电池的电化学性能，提高了容量，改善了电池的一致性，衰减电池的容量和有效放电时间都有不同程度的提高。

5　结论

蓄电池发生差异化衰减后，会使电池组内电池表现出明显的不一致性，引发落后电池发生过充电和过放电的概率增大，对于铅酸蓄电池，加速失水和硫化，甚至引发热失控问题，直接影响电池组使用寿命和运行安全。转移式电池均衡技术的引入明显地改善了落后蓄电池的电流和电压工作状态，控制了引起电池差异化衰减主要因素中过充电和过放电问题的发生，有效改善了电池组内电池的一致性，对控制电池热失控具有重要意义，对落后蓄电池具有很好的保养和部分修复作用，提高了整组电池的放电能力和安全性，降低了电池组运行成本，延长了电池组的使用寿命。

［1］ 程新群. 化学电源［M］. 北京: 化学工业出版社，2008.

［2］ 陈红雨， 黄镇泽， 郑圣全， 李中奇. 铅酸蓄电池分析与检测技术［M］. 北京: 化学工业出版社， 2011.

［3］ 周宝林， 周全. 2 V 铅酸蓄电池均衡器: 201520061849.X［P］.

［4］ 周宝林， 周全. 转移式电池均衡技术对蓄电池组电压与荷电量影响的研究［J］. 蓄电池， 2015，52（3）: 123-125.

［5］ 周宝林， 周全. 转移式电池均衡技术研究与应用［J］. 电池工业， 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