转移式电池均衡技术对电池电压与荷电量影响的研究

周宝林，周 全（. 大庆市交通运输局，黑龙江 大庆 633；. 兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）

转移式电池均衡技术对电池电压与荷电量影响的研究

周宝林1，周 全2
（1. 大庆市交通运输局，黑龙江 大庆 163311；2. 兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）

摘要：电池组中各单只电池的电压和荷电量在反复充放电过程中时刻发生变化，逐渐呈不均衡状态，并且随充放电次数的增加而加重，“落后”电池愈加落后，直至过充电或过放电损坏，严重影响整个电池组的正常蓄电和放电。转移式电池均衡技术通过脉冲技术和均衡机理主动均衡各单只电池的电压和荷电量，使每只电池的电压和荷电量始终处于最佳均衡状态，有效延长电池组的使用寿命。

关键词：电池；均衡；电压；荷电量；转移式

1　电压与荷电量差异对电池组的影响

电池成组后的初期，电池的电压、荷电量基本相同，但由于电池的内阻、自放电率、制造工艺、环境温度等原因，经过若干次的充放电循环后，每只电池的电压和荷电量都会发生变化，并呈积累效应，差异会越来越大，这样在一个电池组内，不仅各电池之间的电压相差较多，荷电量也同样存在差异，形成了一个电压和荷电量不均衡的状态，并且电压差异越大，其荷电量差异就越大。

大量实测数据表明，当电池组的电压达到放电保护电压被系统进行放电保护后，并非组内所有电池都达到放电保护电压，而是个别电池过放电，电压过低，并将整组电池电压拉低，从而导致电池组放电保护，实际上，当电池组发生放电保护时，多数电池仍具有一定的安全放电电压和有效荷电量没有完全释放出来，这些没有被完全释放的电量如果能够有效释放就可以延长电池组的放电时间。

同样，电池组充电也存在类似的问题，内阻大的电池最先达到充电限制电压，但整组电池并未达到充电限制电压，充电过程会继续进行，首先是内阻大的电池被过充电而受损，在充电设备显示充足电的情况下，会发生内阻大的电池被过充电损坏，其它电池均未充足电，电压和荷电量各不相同，整组电池只接受到少量的电量，这种情况视电池组的成组时间而不同，时间越短，电池状态越好，接受的电量越多；时间越长，电池状态越差，接受的电量越少。

当电池组内各电池的电压和荷电量差异较大时，电池组接受电能的能力取决于有效荷电量最小即质量最差的电池，因此蓄电能力很差，只能接受少量的电能，电池放电时，由于存在化学能转换损耗和内阻引起的热能损耗，实际可释放的电能会减少，低于接受的电能，随着充放电循环次数的增多，可接受或释放的电能进一步减少，电池组就失去了应有的作用。这类电池组，最明显的电气特征是组内电池的在线电压参差不齐，相互之间的电压差较大，最直观的现象是充电时间变短，接上充电器后很短时间就提示充满电，放电时间缩短，很快就放完电，导致待机时间缩短。

2　转移式电池均衡技术机理及特点

电池组不均衡问题的产生和扩大不是突变的，而是渐变式的，如果能进行有效控制，电池不均衡引发的问题就会降到最低。

根据电池的化学性质[1]，如果通过维护工作经常保持电池具有良好的电压差，减少或不发生个别电池过充电或过放电的极端问题，电池组就会在良好的状态下工作，满足蓄电和放电要求。

鉴于蓄电池特殊的物理结构和化学特性，实现人工实时维护不现实[2]，也做不到，最理想的解决方案是在电池外部加装一套自动控制装置，实时自动控制组内各电池的电压差在合理范围内。

获得中国专利的转移式电池均衡技术依托现代电子技术和储能技术采用动态可变脉冲技术从电压高的电池分流一部分电量经转换后输送到电压相对较低的相邻电池中，提升低电压电池的电压和荷电量，主动控制相邻电池的电压差始终处于最小[3-7]。该技术采用差值电流技术进行均衡，使电池组内每一只电池的充放电流都不相同，通过差异化电流对各单体电池的电压和荷电量进行均衡，缩小电池间的差异，充电期间，主动对电压较高的电池减小充电电流，对电压较低的电池增大充电电流，实行均衡充电；放电期间，主动对电压较高、荷电量较大的电池增大放电电流，对电压较低、荷电量较小的电池减小放电电流，实行均衡放电。

由于均衡电流是脉冲电流，对电池的保养和维护具有积极作用。对于荷电量减小的电池，在均衡脉冲电流作用下，荷电量会逐渐上升和最大程度恢复，并与电压同步上升和下降，从而可以接受和释放更多的电量。

在电池静止和充放电恢复期，自动对差异电池进行电压均衡，提高均衡效率。以铅酸蓄电池组为例，当电池组发生了较为严重的不均衡问题后，电池的内阻和硫化问题会不同程度地发生变化，直接体现在电池的端电压上。

大量实验数据表明，转移式电池均衡技术的引入能迅速均衡电池组的差异电池，主动使各电池的电压差最小化，实现电池的均衡充电和均衡放电，不仅均衡电池电压也均衡电池的荷电量，实现电池组蓄电和放电功能的最佳发挥。

3　对照实验及分析

实验选取已经使用半年左右，被用户进行容量升级替换下来的两只 12 V 电动车用铅酸蓄电池，外观良好，标称容量都是 14 Ah，全部重新充满电，通过 10 倍率恒流放电容量测试，两只电池的实际容量分别为甲电池 7 Ah 和乙电池 10 Ah，实际容量表明，甲电池容量衰减严重，导致车辆行驶里程明显缩短。由于甲电池的容量只有 7 Ah，同时兼顾乙电池，决定采用 0.8 A 恒流放电，总放电终止电压设定为 22.0 V，其中单电池的安全放电终止电压为 11.0 V。

第一组实验：直接串联放电，放电前开路电压分别为甲电池 12.77 V 和乙电池 12.80 V，当放电总电压降低到 22.0 V 时停止放电，实际放电时间约7.2 h，此时甲电池的电压仅为 10.06 V，已经处于过放电状态，乙电池电压为 11.96 V，仍具有较高的电压和荷电量，还有不少电量没有释放出来，两只电池的电压差达到 1.9 V 之多，见图 1。

图1　电池组常规放电曲线

图1 数据表明，放电开始时，甲、乙电池的电压和荷电状态基本是相同的，但是由于实际容量不同，内阻也不相同，随着放电的进行，两只电池的电压差异和荷电状态差异逐渐扩大，放电 7 h 左右时，容量小的甲电池放电完毕，而容量大的乙电池还剩余约一半的容量，荷电量差异明显。

第二组实验：对第一组实验的两只电池使用专用充电器分别重新充满电，静止 12 h 后，测量电压分别是甲电池 12.78 V 和乙电池 12.80 V，放电条件不变，唯一的区别是加入均衡器实验样机。放电总电压到 22.0 V 停止放电，实际放电时间 10.2 h，比第一组对照实验整整多了 3 h，增加了约 42 % 的放电时间。此时甲、乙电池的电压均在 11.0 V 左右，均为安全电压，没有过放电现象，见图 2。

从图 2 放电时间上看，甲电池有效放电时间延长了，似乎容量变大了，根本原因是均衡器的接入改变和调整了甲、乙电池的放电电流。尽管两只电池的容量差异很大，但是由于均衡器的作用，放电期间，电池的电压差异最大也没有超过 90 mV。甲电池没有过放电，乙电池的电量全部释放完毕，实现了均衡放电，乙电池的电压始终比甲电池高，连续不断地为甲电池补充电能，补充的电能降低了甲电池的放电电流，弥补了甲电池放电能力的不足，从而延长了甲电池放电时间，实现了容量大的电池多放电，容量小的电池少放电的均衡放电设计理念，这种差异化电流控制是在放电期间连续进行的，以此获得最佳均衡效果。

图2 中均衡放电曲线鲜明地显示两只电池的电压差异自始至终都非常小，曲线几乎重叠，电池间的电压差异越小，其荷电状态的差异也越小，这种同步差异变化是随着放电的进行动态实现的。

对比实验结果表明，这种转移式电池均衡技术表现出优异的均衡功能，即使具有不同荷电量的电池串联在一起使用，如果均衡电流合适就可以实现均衡放电，有效避免或降低低容量电池的过放电风险。

图2　电池组在均衡器作用下放电曲线

4　结论

通常情况下，对于单体电池存在明显差异的电池组，同时会存在电压与荷电量差异的问题。转移式电池均衡技术不仅实现了电压的均衡，也实现了荷电量的均衡，对于电压和荷电量存在严重差异的电池组具有非常明显的积极作用，在发生严重电压差异和荷电量差异的情况下，对于“落后”的电池，如果电池自身没有发生物理损坏，如极板变形、内部短路、局部单元膨胀，都

会有很好的修复效果，电压和荷电量都能得到最大限度的恢复，即能有效保护“落后”电池，又明显延长电池组的有效放电时间和使用寿命。

参考文献：

[1] 程新群.化学电源[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008: 139-178.

[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, 2011:168-177.

[3] 周宝林. 能量转移式电池均衡器: 中国, 201120155582.1[P]. 2012-10-31.

[4] 周宝林. 电量转移式电池均衡器: 中国, 201220153997.0[P]. 2013-03-20.

[5] 沈志勤. 电子技术基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006: 129-141.

[6] 郭林, 姬罗权. 电路分析[M]. 北京: 人民邮电出版社，2010: 89-92

[7] 胡斌, 胡松. 电子元器件知识与典型应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2013:147-149.

Research on the infl uence of transfer type battery equalization technology on the battery voltage and charged capacity

ZHOU Bao-lin1, ZHOU Quan2

(1. Daqing Transport Bureau, Daqing Heilongjiang 163311;
2. Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou Gansu 730070, China)

Abstract:The voltage and charged capacity of each single battery in the battery pack change constantly and are unbalanced in the process of charging and discharging, and the situation gets more and more worse with the increase in charging and discharging cycle, and the “weak” batteries in the battery pack become weak even harder as the running process continues and bring the battery pack in an overcharged or overdischarged state seriously affecting the normal energy storage and discharge of the whole battery pack. Transfer type battery equalization technology can keep the voltage and charged capacity of each battery being in the best state of equilibrium by using the pulse technique and the equilibrium mechanism to actively equalize each single battery voltage and charged capacity, thus prolonging the service life of the battery group.

Key words:battery; equalization; voltage; charged capacity; transfer type

中图分类号：TM 912.1

文献标识码：B

文章编号：1006-0847(2015)03-123-03

收稿日期：2014-12-11