充放电倍率对电池一致性衰减影响的研究与对策

周宝林，周全

（1. 大庆市交通运输局，黑龙江 大庆 163311；2. 中国铁路上海局集团有限公司上海车辆段，上海 200040）

1 充放电倍率对电池衰减的影响

各种文献和实验数据表明，充放电倍率[1]对于锂离子电池衰降速度具有极大的影响。总的趋势和结论是，充放电倍率越大，电池衰减速度越快，如图 1 所示。可见，合理地控制电池的充放电倍率是电池循环使用寿命的重要保证。

对于新装配电池组，每块电池的容量和电压彼此接近，实际放电倍率和输出功率基本相同，放电时所有电池共同做功且分配均等，所以电池组的功率输出表现和续航时间最佳。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、自放电率等地差异越来越大，使得电池个体间充放电倍率差异增大。由于衰减电池的实际剩余容量降低，其充放电倍率明显增大，电池衰减越严重，实际充放电倍率就越大。

图1 不同放电倍率的锂离子蓄电池容量衰减

充放电倍率包括充电倍率和放电倍率。在实践中，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衰减和一致性问题的重要原因，可加剧电池的衰减。如果控制失败，高倍率充电会使衰减电池（小容量电池）频繁发生过充电，加速小容量电池的衰减，使有效容量进一步减小，并形成恶性循环。恶性循环的最严重后果是充电时衰减电池温度急剧升高，继而可能引发电池组发生火灾、爆炸等事故（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，导致低衰减或未衰减电池的容量无法得到有效利用。高倍率放电同样加剧小容量电池的衰减，特别是放电期间，如果控制失败，小容量电池会频繁发生过放电，造成不可恢复性损伤。小容量电池在高倍率放电的情况下，衰减加速，并且放电倍率会随着充放电循环次数的增加逐渐加大，温度同样会快速升高，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，高倍率放电对于衰减电池组的伤害远远高于装配初期的电池组，就是因为衰减电池的充放电倍率明显高于正常容量电池。当充放电电流和截止电压超过一定数值时，电池衰减加速，要降低电池的衰减速率，稳定电池容量，就需要对衰减电池的充放电电流和截止电压进行自动化控制。

2 解决充放电倍率差异方案

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。通过图 2 不难看出，高倍率充电和高倍率放电都会使电池衰减进入恶性循环，同时也说明，降低衰减电池的充放电倍率，即降低充放电电流是解决电池快速衰减的关键。科学实践证明，分流是最佳技术方案，完全可以在同一串联电池组中，通过自动化技术自动提高大容量电池的充放电电流，同时实现降低小容量电池的充放电电流，即均衡充放电技术。

图2 高倍率充放电对电池衰减影响示意图

3 等倍率均衡放电原理及实例

以图 3 中均衡放电为例进行说明，大容量电池乙（剩余 75 % 容量）除提供负载电流外，多释放的电流通过均衡器转换，输送到小容量电池甲（剩余 30 % 容量）两端，弥补小容量电池甲放电能力的不足。这一过程中，均衡器的转换效率要高，以提高电能利用率，而且设备的温升要较低，以减少温升对电池组的影响。放电期间，电池乙多放电，提高放电倍率，相比之下，电池甲少放电，降低放电倍率。如果均衡器的均衡电流控制得当，甲、乙两电池就可以保持近似相同的放电倍率，实现等倍率均衡放电。

图3 两串电池组均衡放电原理图

基于上述原理，下面结合具体实例和测量数据进行说明。实验电池及部分装置如图所示。图 4 中实验电池组为 2 串锂电池组，电池 B1（18650 型号，拆机电池）的实测最大容量约 1 Ah，电池 B2的实测容量约为 11 Ah。使用 2 块万用表测量电池的实时电压，用钳形表检测电池 B1 的实际放电电流。在电池组以 3 A 恒流放电的情况下， 电池 B1的实际放电电流只有 0.53 A（存在测量误差，下同），远远低于总放电电流 3 A，不足的 2.47 A 全部通过双向同步整流均衡器样机[2]（图中只使用 1个单元模块，模块最大支持 10 A 以上均衡电流）从电池 B2 获得。由于电池 B2 的实际放电电流高达 5.76 A，2 块电池的放电电流差值达到 5.23 A，非常接近均衡器样机的实测均衡电流 5.27 A。限于篇幅，表 1 只列出了以 3 A、4 A 和 5 A 恒流放电时的相应测量数据，并根据测量数据计算出 2 块电池在不同放电电流下的放电倍率。

图4 均衡放电实验装置图

表1 两串电池组放电电流、放电倍率及均衡电流对照表

表1 中数据显示，在电池组分别以 3 A、4 A和 5 A 放电，并且在高效电池均衡器介入和干预的情况下，2 块电池的放电倍率基本相同，电压差也非常小，处于良好的均衡放电状态。如果没有电池均衡器的介入和干预，电池 B1 的放电倍率将分别达到 3C、4C和 5C，而对应的电池 B2 放电倍率只有 0.27C、0.36C和 0.45C，两者的放电倍率相差约10 倍， 电池 B1 将很快放电完毕，并迅速进入过放电状态，进一步加剧衰减。均衡放电实验表明，均衡器的介入，对于控制不同容量的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。

4 拓展实验及分析

在均衡放电期间及结束时，2 块电池的电压一直处于安全、平稳状态，表现出良好的均衡放电特征。电池 B1 未进入放电截止电压区间，即使在全程使用 5 A 恒流放电至放电结束的情况下，电池B1 也没有出现温度升高的情况。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 5 A 电流恒流充电至自动切换恒压充电前。通过电池 B1 的充电电流本应是 5 A，但实测最大充电电流只有 0.84 A 左右，折合成最大充电倍率约为 0.84C，而电池 B2 的实测充电电流高达 8.8 A 左右，折合成最大充电倍率约为 0.80C。考虑到测量误差的影响，2 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 0.11 V 左右， 电池 B1 的最高电压也只有 4.23 V 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。当将电池 B1 更换为较大容量的电池并且保持电池均衡器不变的情况下，在进行相同的 3 A、4 A和 5 A 恒流充放电时， 电池 B1 的充放电流明显增大，补充电流和分流电流明显缩小，实测 2 种容量电池的充放电倍率仍基本相同。

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，在进行电流自动分流的同时，既保证了电池电压的相对稳定，也适时调整了电池的容量和 SOC[3],不同容量电池实现了近似等倍率充放电，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客观存在的，只是差异程度不同而已，使用期间差异逐渐加重。如果从一开始出现一致性变差的迹象就通过主动均衡予以干预，那么一致性问题的发生就会明显延后，甚至不会发生或表现出明显的一致性问题。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非常理想。当电池出现不一致情况时，自动实时进行小电流均衡，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，保证电池组的充放电容量稳定。

5 展望

为便于阐述，本文只提供了 2 串锂电池组等倍率均衡放电实验数据，鉴于实验电池均衡器的工作原理，适合于任意串联电池组，包括单体 2 V 的各种电池组，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，对于预防电池衰减引起的电池热失控，提高电池组的安全、稳定运行效果明显，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。