钜大LARGE | 点击量：1063次 | 2019年05月28日
双向同步整流技术的引入，使均衡性能有了质的提升
动力电池组的一致性问题不仅影响电池组的动力输出和续航表现，更严重威胁电池组的运行安全，现有技术条件下，公认的理想的解决方案就是电池均衡技术，尤其是高速、高效、实时、转移式电池均衡技术，其综合性能的表现最好，特别是在均衡电流、均衡效率以及适应性方面。双向同步整流技术的引入，使均衡性能又有了质的提升，动力电池组的安全性、动力、续航能力和循环使用寿命明显提高。
关键词：一致性、电池均衡、双向同步整流、热失控
01
动力电池组的一致性问题
自蓄电池大规模应用以来，电池组的一致性问题一直困扰着广大用户和科技人员，一直在积极寻求最佳解决方案和技术。电池组的一致性问题表面上是发生在电池组本身，但其所带来的影响和后果却远远超过了电池组自身，热别是其“热失控”风险。动力电池组的功率和容量非常大，一旦发生热失控，所造成的危害通常非常大，因此防控电池组的一致性问题就成了电池组的安全管理问题。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
动力电池一致性问题亟待解决
通常来说，电池组一致性问题的产生原因有很多种，既包括电池组自身原因，与电池的生产工艺和品控有关，简称称内因；也包括使用期间的外界因素，如温度、充放电流、充放电压、充放倍率等等，简称外因。大量检测数据表明，外因是导致电池组一致性快速劣化的主要原因。
02
均衡对一致性问题的影响
电池组一致性变化最明显的参数是单体电池的电压和容量，其中最容易测量的数据是电压，电压的变化特征实际上也反映出容量的变化特征。举个例子，“落后”电池的容量通常较小，电压参数的明显表现特征是充电时电压上升速度最快，放电时电压下降速度最快，都明显大于平均值，波动非常大。
而对于正常电池，无论是充电期间还是放电期间，电压表现特征相对稳定，不会发生剧烈变化。既然外因是导致电池组一致性快速劣化的主要原因，那么我们就需要针对外因的变化来适时调节“落后”电池的电压，使其电压变化曲线接近于整组电池的平均值，这就是电池均衡，如果能达到这一目的，那么“落后”电池的工作电压就会与正常电池的电压保持同步变化。
充电时，电压上升速度相同；放电时，电压下降速度相同。电池均衡的作用就是通过自动调节电池间的电量和不同容量电池具有不同的充放电电流，来干预“落后”电池的电压变化，如果“落后”的电压与正常电池的电压始终同步变化，那么电池组在电压和容量分布上的表现一定是均衡的，这样的电池组一致性表现一定是良好的。
03
均衡策略的选择
通过前面的分析可知，均衡的本质是通过调节电量和电流实现电压均衡，目的就是防止“落后”电池的电压过低和过高以及过充电和过放电，当“落后”电池与正常电池的差异不大时，较小的均衡电流即可满足需要，当“落后”电池与正常电池的差异较大时，需要的均衡电流也需要同步增大。
由此可见，均衡技术的一个非常重要的指标就是支持均衡电流的大小或者范围。现有的电池均衡技术主要包括三类，分别是电阻放电均衡技术、充电均衡技术和转移式电池均衡技术。其中，电阻放电均衡技术是一种典型的被动均衡技术，仅适用于充电阶段、并且是电池差异很小的电池组，通常只在电池临近充满时才启动。
常用的锂电池均衡保护板
也有一种是通过软件控制技术提前介入，延长均衡时间，加快均衡速度，但这种方案需要解决热量的有效控制，均衡电流通常都很小，一般为毫安级，通常在100毫安以内，当电池组的差异较大时，这种方案就力不从心、难以支持了，其固有缺陷和最大的软肋是无法解决小容量电池的过放电难题。
充电均衡技术与电阻放电均衡技术同属于充电均衡技术范畴，优势是均衡电流较大，通常可以达到安培级别，效率也较高，产生的热量较少，对电池组的温升影响比较小，但其固有缺陷和软肋同样是无法解决小容量电池的过放电难题。
转移式电池均衡技术则是较为完善的方案，不仅同时满足充电均衡、放电均衡和静止均衡的需要，而且具有较高的均衡电流和均衡效率，对于稳定电池组运行一致性效果显著，虽然技术实现难度很大，成本也相对较高，但从电池组对运行安全的关键需求来看，它有效解决了电池组因为一致性问题产生的“热失控”风险和安全隐患问题，是未来的发展方向。
04
高速均衡的设计与实现
从技术原理上来看，转移式电池均衡技术能快速完成电池组的电压平衡，较快实现电池组的运行一致性，但从实际应用和各种比对试验情况来看，实际支持的均衡电流大小和均衡效率的高低直接关系到均衡速度的快慢和电压一致性的改善。
对于常规串联电池组，流经每块电池的电流是相同的，所以充电时，容量小的电池电压上升速度快，一定会先行充满电，如果没有特殊控制，其它电池则无法充满电，这种情况下电池组的总电压一定会低于充电控制电压，充电器会继续充电，最终会导致容量小的电池过充电而受损，且损伤不可逆。
同样，放电时，容量小的电池电压下降速度快，一定会先行放完电，如果没有特殊控制，其它电池则还有剩余电量没有释放，这种情况下，电池组的总电压一定会高于放电截止电压，电池组会继续放电，最终会导致容量小的电池过放电而受损，且损伤不可逆，经过若干个反复充放电后，容量小的电池，容量会加速衰减，最终导致电池组提前报废。
因此，均衡器的设计必须支持较大的均衡电流才能平衡不同容量电池的电压差。对于容量不大的电池组，如几十安时以内，充放电电流通常都比较小，较小的均衡电流通常即可满足需要，但对于大容量电池组，如几百安时以上，或者大功率电池组，工作电流通常都比较大，对均衡电流和均衡速度都提出了更高要求，需要高速均衡才能满足需要。
这里所述的高速均衡包含两个方面的含义：一是较小的电压差下即可实现较高的均衡电流，电压差增大，均衡电流同步增大；二是必须具备较高的电能转换效率，防止均衡设备产生的热量影响电池组。
基于这一原则，对高速均衡器设计就提出更高的要求，首先是均衡电流要足够大，传统的转移式均衡设计，通常采用二极管进行续流，考虑到电压降和损耗，多采用压降较低的肖特基二极管，尽管如此，在大电流时的损耗仍非常大，不仅设备温升大，给电池组带来额外的温升，也为自身的安全稳定运行带来危险。
可见，对于高速均衡方案，采用续流二极管设计不仅无法实现大均衡电流，也无法实现较高的电能转换效率，必须采用全新的换能设计方案。我们都知道，在大电流输出的直流电源中，通常都采用同步整流设计方案，利用功率场效应管的导通压降小的特点代替续流二极管，以获得高效率下的大电流输出能力。
因此，如果能将同步整流设计思想和技术移植到电池均衡设计中，那么无论是均衡电流还是转换效率，都将得到跨越式的提高。为此，根据高速均衡的要求，作者历时多年潜心研究，开发出一种独特的双向同步整流专利技术，分别应用于单体2V铅酸蓄电池组高速均衡器和锂电池组高速均衡器的设计上，连续最大均衡电流达到20安培以上，远远超过国内已知电池均衡器的均衡电流，并且设备温升在满负荷下仍处于合理范围内。
大量的实验和应用测量数据表明，无论是动态反应速度、电压差控制、还是电能转换效率都完全符合高速均衡的设计要求。
05
高速均衡实验测试
下面，以单体2V铅酸蓄电池组高速均衡器在某基站24串单体2V600Ah电池组的静态均衡应用实验测量数据进行分析，实验电池组如图所示，电池组上的附加装置为2V铅酸蓄电池专用均衡器样机，设计连续最大均衡电流10-12安培，短时间内可以达到20安培以上。
接入电池均衡器前，最大电压差接近0.14V，一致性较差，远远超过30毫伏电压差的行业规范标准，接入均衡器样机后，在强大的均衡电流作用下，电压差立刻开始缩小，电压一致性迅速得到改善，随着时间的延长，最大电压差进一步缩小，均衡电流也逐渐降低，24小时后的测量数据显示，最大电压差只有10毫伏，已经优于规范标准，电压一致性问题消除，具体测量数据见附表。
实际测量数据显示，浮充状态下的电池组，9#电池的电压最高，高于平均电压79mv，20#电池的电压最低，低于平均电压60mv，随着均衡器的介入，所有电池的电压都迅速向着平均电压靠近，其中9#和20#电池的电压变化率最大，这是因为9#和20#电池与相邻电池的电压差较大，均衡电流较大，对电荷、电量的调整速度块的缘故。
本文介绍的高速电池均衡器设计，适用于电池组的任何状态，不仅限于静态均衡，还包括充电期间、放电期间以及充放电后的恢复期等，只要相邻电池间的电压差大于设备设定的电压差精度，均衡器均根据电压差大小自动调节均衡电流，按需均衡，提高均衡效率。限于篇幅，这种专用高速电池均衡器在本电池组上的充放电均衡数据略。
实验电池组
实验电池组静态均衡电压情况表
06
高速均衡的意义与展望
动力电池组的作用不言而喻，长期以来，实现其安全、高效运行管理一直是人们的关注重点，对于动力电池组，电池组运行安不安全，电池组的安全放电时间或者续航是否稳定一直是人们最关注的重点。
电池组运行的最大风险是热失控，热失控、安全放电时间以及续航是否稳定都与电池组的一致性好坏直接关联，由此可见，一致性问题管理是电池组管理的难点和关键所在。本文所述高速电池均衡器的功能设计目的就是解决电池组的一致性问题。
未来，随着动力电池组应用范围的扩大，特别是退役电池在大功率、大容量储能、基站等的规模梯次利用，一致性问题将会进一步凸显出来，安全问题再次摆在人们的面前，特别是梯次电池利用的一致性问题而引发的安全问题将会更加突出，迫切需要从自动控制技术上予以解决。高速电池均衡技术的突破和研制成功必将为电池组的安全运行管理带来全新的理念和曙光。
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