本文通過對充放電倍率對電池衰減的分析，提出通過等倍率充放電來降低小容量電池衰減速度的思想，借助高效轉(zhuǎn)移式電池均衡器對差異巨大電池組的循環(huán)充放電實驗，對等倍率充放電理論進行了驗證。實驗證明，等倍率充放電是控制電池衰減、提高容量利用率的最有效手段。

關(guān)鍵詞：電池衰減，充放電倍率，等倍率，電池均衡

1、充放電倍率差異對電池組一致性的影響

大功率儲能、動力電池組均為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，為獲得更大容量，有時還要采取多并多串結(jié)構(gòu)，電池配組后，我們期望的結(jié)果是電池組的充放電容量穩(wěn)定、各單元電池的電壓近似相同，電池組的使用壽命接近單個電池的設計使用壽命，不發(fā)生明顯的電壓一致性問題，充電時電壓同步上升，沒有電池發(fā)生過充電問題；放電時電壓同步下降，沒有電池發(fā)生過放電問題。

但現(xiàn)實卻是殘酷的，大量的使用數(shù)據(jù)顯示，電池組的滿功率實際循環(huán)使用壽命通常只有單體電池設計壽命的1/5～1/3,遠遠達不到設計要求，問題嚴重的還會發(fā)生“熱失控”故障并引發(fā)安全事故。而導致電池組壽命短的最根本的原因，就是電池組的一致性問題未能得到根本解決。

電池組的一致性問題發(fā)生的原因非常復雜，既有電池生產(chǎn)制造工藝上的原因，簡稱內(nèi)因，無法改變。如內(nèi)阻、自放電率（自身漏電）、容量等參數(shù)的差異，也有使用期間的外界環(huán)境因素，簡稱外因，如環(huán)境溫度、充放電電壓、充放電電流、充放電倍率等。綜合來看，外因?qū)σ恢滦缘挠绊懜?，是需要重點關(guān)注和解決的，通過技術(shù)手段可以進行優(yōu)化和解決。

我們知道，充放電電流與于放電倍率密切關(guān)聯(lián)，在充放電流不變的情況下，電池的容量就起到了決定性因素，容量越大，充放電倍率越小；容量越小，充放電倍率越大。同時充放電倍率又直接影響到電池的溫升、電壓升降速度以及充放電限制電壓等等，相互關(guān)系如圖1所示：

圖1 充放電倍率對電池衰減影響示意圖

充放電倍率差異形成機理表明，小容量電池的充放電倍率逐漸上升與其容量不斷降低直接關(guān)聯(lián)，二者互相促進，進入惡性循環(huán)。由此可以得出結(jié)論，控制電池的充放電倍率是防控電池衰減的關(guān)鍵。

大量實驗數(shù)據(jù)表明，充放電倍率對于鋰離子電池衰降速度具有極大的影響，趨勢和結(jié)論是：充放電倍率越大，電池衰減速度越快，標準充放電倍率及以下，電池的衰減速度最小?？梢?，合理控制電池的充放電倍率是保證電池循環(huán)使用壽命的保證，特別是放電倍率。如圖2所示：

新裝配電池組，由于電池多為同一批次，每塊電池的容量、內(nèi)阻和電壓都接近，實際放電倍率和輸出功率都基本相同，因此電池組的動力輸出表現(xiàn)和續(xù)航時間最佳，使用上的表現(xiàn)為新電池非常耐用。但是由于電池間的個體差異、工作環(huán)境溫度、充放電電流、過充過放等因素影響，經(jīng)過多次充放電循環(huán)后，個體間的差異會逐漸擴大。

主要表現(xiàn)在容量、電壓、內(nèi)阻等差異越來越大，使得電池間充放電倍率差異增大，未衰減或輕微衰減電池的充放電倍率基本不變，衰減電池的充放電倍率則明顯增大，衰減越嚴重，實際充放電倍率越大，溫升越明顯，不同的溫升還會進一步加劇電池的差異化衰減。

充放電倍率包括充電倍率和放電倍率。在應用和實踐中，人們往往重視放電倍率，卻忽視了充電倍率，事實上，高充電倍率同樣是造成電池一致性問題的重要原因。高倍率充電會使衰減電池（小容量電池）經(jīng)常發(fā)生過充電，加劇小容量電池的衰減，并形成惡性循環(huán)。

惡性循環(huán)的最嚴重后果是充電時電池溫度急劇升高，繼而可能引發(fā)電池組發(fā)生爆炸、火災等事故，這種案例非常多。此外，充電倍率差異過大還會使電池組的可用容量越來越小，低衰減或未衰減電池的容量無法得到有效利用。

高倍率放電加劇小容量電池的衰減，特別是放電期間，如果不能進行有效控制，小容量電池極易發(fā)生過放電，形成不可恢復性損傷，衰減加速，放電期間，溫升明顯超過其它電池，進一步加速小容量電池的衰減并進入惡性循環(huán)。

由此可見，控制小容量電池的充放電倍率，對于延長電池組循環(huán)使用壽命是非常重要的。大量研究實驗及應用表明，當充放電倍率和截止電壓超過一定數(shù)值時，電池衰減加速，為了降低電池的衰減速率，需要選擇合適的充放電倍率和高效控制截止電壓。

2、等倍率均衡充放電實現(xiàn)機理及實例

通過前面的示意圖不難看出，降低充放電倍率，即降低衰減電池的充放電電流是解決電池快速衰減的關(guān)鍵，科學實踐證明，分流是最佳技術(shù)手段，通過自動化技術(shù)自動提高大容量電池的充放電流，降低小容量電池的充放電電流予以實現(xiàn)，即均衡充放電。

通過分流技術(shù)調(diào)整電池的充放電電流，就是在電池上并聯(lián)一種自動調(diào)整裝置，通過裝置的智能化操作自動調(diào)節(jié)每一塊電池的工作電流，實現(xiàn)自動分流。即充電期間，自動對容量大的電池提高充電電流，對容量小的電池減小充電電流，進行等倍率充電；放電期間，自動對容量大的電池提高放電電流，對容量小的電池減小放電電流，進行等倍率放電。

基于上述原理，下面結(jié)合具體實例和測量數(shù)據(jù)進行說明。為使實驗測量數(shù)據(jù)明顯地反映出分流效果，采用容量非常懸殊的兩塊鋰電池組建串聯(lián)電池組， B1電池（綠色18650型號）容量約1Ah，B2電池（藍色方形）容量約為11Ah，使用雙向同步整流技術(shù)的高速、高效電池均衡器[1]樣機（支持10A以上連續(xù)均衡電流），兩塊萬用表測量電池的實時電壓，使用鉗形表檢測電池的實際放電電流，充電器型號DPS-305BF，恒流負載型號3710A。

2.1 大電流均衡充電實驗

對該電池組進行4A恒流充電期間，在均衡器的強大分流、均衡作用下，B2電池的實際充電電流遠遠大于充電總電流，高達7.13A，圖3所示，本應通過B1電池的4A電流，實際上只有0.66A左右（圖略），剩余的3.34A（4A-0.66A=3.34A）電流通過均衡器轉(zhuǎn)換輸送到B2電池，增加B2電池的充電電流，兩塊電池的實際充電電流相差6.57A，相差近11倍，非常懸殊。

通過計算，B1電池的實際充電倍率約為0.66（0.66/1=0.66）C，B2電池的實際充電倍率約為0.65（6.57/11=0.65）C，去除測量誤差影響，兩塊電池的充電倍率基本相同。圖中還可以看到，盡管兩塊電池的充電電流非常懸殊，但是兩塊電池的相對電壓差卻非常小，只有70mv左右，溫升基本相同，B1電池的實際充電電流大幅度降低，因內(nèi)阻原因產(chǎn)生的熱量大幅度降低，消除了潛在的熱失控風險。

圖3充電電流4A情況下B2電池的實際充電電流達到7.13A

2.2 大電流均衡放電實驗

在大電流恒流均衡放電實驗期間，將總放電電流提高至5A，此時，均衡器的均衡電流高達9.08A，如圖4所示，經(jīng)測量，電池B1和B2的實際放電電流分別為0.87A和9.82A（圖略），通過計算得知B1和B2電池的放電倍率分別為0.87C和0.89C，去除測量誤差，放電倍率基本相同，直至放電結(jié)束，兩塊電池的放電溫升仍基本相同，B1電池實際放電電流大幅度下降，因內(nèi)阻原因引起的溫升大幅度降低，直接消除了溫升引起的熱失控隱患。

圖4放電電流5A情況下B2電池的實際放電電流達到9.08A

均衡放電實驗表明，均衡器的介入，對于控制不同容量電池實行等倍率放電的作用是明顯的，小容量電池的實際放電電流顯著低于大容量電池的實際放電電流，不僅有效預防小容量電池過放電，而且提高了大容量電池的容量利用率，意義重大。

3、拓展實驗情況及分析

在均衡放電期間及結(jié)束時，兩塊電池的電壓一直處于安全、低壓差狀態(tài)，B1電池未進入放電截止電壓區(qū)間，整組電池表現(xiàn)出良好的均衡放電特征，即使在全程使用5A恒流放電至放電結(jié)束的情況下，B1電池也沒有出現(xiàn)溫度升高的情況，控制溫升效果顯著。

作為對照，對放電結(jié)束的電池組在保持均衡器實驗樣機的情況下，以5A恒流充電至自動切換恒壓充電期間，本應通過B1電池的的5A電流，實測最大充電電流只有0.84A左右，折合最大充電倍率約0.84C，而B2電池的實測充電電流高達8.8A左右，折合最大充電倍率約0.80C，兩塊電池的充電倍率非常接近，電壓上升速度也基本相同，最大電壓差只有0.11V左右，B1電池的最高電壓也只有4.23V左右，始終處于安全電壓以內(nèi)，均衡器樣機在連續(xù)大電流均衡的情況下只有微量的溫升。

在轉(zhuǎn)入恒壓充電期間，隨著充電電流的減小，均衡電流和電壓差同步減小。當將B1電池更換為較大容量的電池時，并且電池均衡器不變的情況下，在進行相同的3A、4A和5A恒流充放電時，充放電流明顯增大，補充電流和分流電流明顯縮小，但兩塊電池的的充放電倍率仍基本相同，均衡器同樣幾乎感覺不到溫升，可見均衡器的電流自動調(diào)節(jié)能力直接影響電池的充放電倍率。

均衡充放電實驗表明，小容量電池實現(xiàn)了少充少放，大容量電池實現(xiàn)了多充多放，不同容量電池實現(xiàn)了近似等倍率充放電，在均衡電壓的同時，也同時對電池的容量和SOC[2]進行了均衡，對于防控小容量電池的過充電和過放電，以及提高大容量電池的容量利用率效果顯著。

電池組的一致性問題是一個無法回避的現(xiàn)實難題，只要是串聯(lián)電池組就一定存在，只是輕重程度不同而已，并且會隨著時間的推移逐漸加重，如果從電池成組就通過通過主動均衡予以干預，那么一致性問題的發(fā)生就會大大延后，甚至不會發(fā)生一致性問題，通過各種對照實驗，具有實時均衡功能的轉(zhuǎn)移式動態(tài)電池均衡技術(shù)在控制電池充放電倍率方面的表現(xiàn)最佳。

當電池出現(xiàn)不一致情況時自動進行小電流均衡，充放電后期或者劇烈電流波動導致電池間電壓差拉大時，均衡電流同步自動加大，自動降低小容量電池充放電電流和充放電倍率，不僅主動預防了小容量電池的過充電和過放電問題，還提高了大容量電池的容量利用率，消除“木桶效應”帶來的容量短板問題，保證電池組的充電容量和放電容量穩(wěn)定，不僅解決了衰減問題、一致性問題，還提高了容量的利用率，特別是有效防控了熱失控風險，提高了電池組的運行安全性。

4、展望

為便于闡述，增大測量數(shù)據(jù)的反差，提高視覺效果，本文只進行了2串容量懸殊電池組等倍率均衡放電實驗，并進行了相應的數(shù)據(jù)分析，鑒于實驗電池均衡器的工作原理，適合于任意串電池組，主動調(diào)節(jié)多串電池組中不同容量電池的充放電倍率的原理是相同的。

高效大功率電池均衡器的介入和干預，不僅實現(xiàn)了不同容量電池的的等倍率充放電，而且能夠顯著降低小容量電池的工作溫升和衰減速度，對于防止電池熱失控、提高電池組的安全、穩(wěn)定運行作用明顯，特別是對于大功率動力電池組以及大規(guī)模梯次電池的二次利用具有重要意義。