梯次電池與選用

 

　　梯次電池是指已經(jīng)使用過并且達到原生設計壽命，通過其他方法使其容量全部或部分恢復繼續(xù)使用的蓄電池。

 

　　一般使用5年后的電池，它的有效容量在80%左右。電池的自然衰減進入平穩(wěn)期，完全可以按照小容量電池使用，通過一定數(shù)量電池的并聯(lián)使用，可利用容量獲得數(shù)倍的提高，完全滿足儲能和動力需要，這一點與電動汽車為了增加續(xù)航里程，采用大量并聯(lián)電池增加電池容量的道理是相同的。

 

　　電池組在使用5年后，可用容量和續(xù)航時間明顯縮短，用戶和經(jīng)銷商通常整體更換，殊不知，并不是一個電池組內(nèi)的所有電池都需要更換，只是其中的一塊或幾塊電池容量嚴重衰減影響了整個電池組，如果有多個這樣的電池組，通過檢測剔除嚴重衰減的電池，其它電池通過分容和內(nèi)阻檢測，完全可以重新梯次利用。動力電池的梯次利用明顯延長電池的使用效率和生命周期，減少電池所帶來的環(huán)境污染，被譽為是目前和今后的重點發(fā)展對象。

 

　　動力電池再利用是動力電池產(chǎn)業(yè)鏈形成閉環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)，在環(huán)境保護、資源回收和提高動力電池全壽命周期價值等方面都具有重要價值。退役后的動力電池經(jīng)過測試、篩選、重組等環(huán)節(jié)，仍然有能力用于低速電動車、備用電源、電力儲能等運行工況相對良好、對電池性能要求較低的領域。

 

　　隨著新能源汽車推廣應用力度的不斷加大，每年將產(chǎn)生大量退役電池，動力電池梯次利用的概念應運而生并受到廣泛關注。

 

　　梯次電池利用能提高電池的利用率，延長電池的生命周期，無論是節(jié)能方面還是環(huán)保方面意義重大，但是梯次電池利用必須注意一些事項：

 

　　1、盡可能采用基本單元電池(cell)，如2V單體鉛酸蓄電池，各種鋰電池，包括磷酸鐵鋰電池、鈦酸鋰電池、三元鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池等。以多個單元串聯(lián)后封裝一體的電池，如6V鉛酸蓄電池(3個2V單元)和12V鉛酸蓄電池(6個2V單元)，不太適合梯次利用，主要是因為這些電池的內(nèi)部為多串電池，自身就存在不均衡的問題，無法通過外部解決。

 

　　2、必須遵循同類型電池成組原則。成組電池必須是相同類型的電池，即電池的工作電壓區(qū)間必須相同。工作電壓區(qū)間不同的電池不能出現(xiàn)在同一電池組中，即使容量相同也不能混用。

 

　　3、有條件的情況下，成組電池組裝前要進行容量、電壓和內(nèi)阻測量，盡可能選擇容量和內(nèi)阻接近的電池，減少復用期間一致性差異的擴大。

 

　　由于梯次電池的容量普遍低于標稱容量，為獲得足夠的容量，需要使用數(shù)量更多的電池通過合適的串并聯(lián)來達到設計容量，因此需要根據(jù)技術條件來裝配。

 

　　裝配方式一：先并后串，如電動汽車用電池組采用此方式。

 

　　裝配方式二：先串后并，常用于數(shù)據(jù)中心或機房。

 

　　兩種裝配方式各有優(yōu)缺點，適合不同環(huán)境：

 

　　先并后串的缺點：單元電池連接線和匯流排的選擇非常重要，否則會造成電池充放電的差異，個別電池漏電流(或故障)會影響一個并聯(lián)單元，對容量的影響比較大，直接影響續(xù)航時間(里程)；優(yōu)點：易于管理，如果增加電池均衡器只需要一組(套)即可。

 

　　先串后并的優(yōu)點：連接方便，檢修方便，能夠快速檢測和處理故障電池，易于維護，每一串中的單元電池容量均可以不同，電池利用率高，容量(功率)可以任意擴充，增加后備時間，提高可靠性，特別適合數(shù)據(jù)中心；缺點：如果增加電池均衡器需要多組(套)。

 

　　4、下列電池不能復用：一是漏電流大(或自放電率高)的電池；二是外觀發(fā)生形變，如外殼膨脹的電池；三是發(fā)生漏液的電池。

 

　　梯次電池均衡

 

　　梯次電池的篩選即使非常嚴格，也難以保證電池的一致性，即使一致性極佳的電池裝配在一起，幾十個充放電循環(huán)后仍然會發(fā)生不同程度的差異，并且這種差異會隨著使用時間的延長逐漸加重，一致性會越來越差，明顯表現(xiàn)為電池間的電壓差逐漸拉大，有效充放電時間越來越短。大量檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，一致性變差的電池組具有如下特點：

 

　　1、單元電池的電壓呈現(xiàn)明顯高低錯落、不規(guī)則分布；

 

　　2、單元電池的剩余容量大小呈現(xiàn)不規(guī)則離散型分布；

 

　　3、單元電池的內(nèi)阻大小同樣呈現(xiàn)不規(guī)則離散型分布。

 

　　通過對檢測數(shù)據(jù)的進一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，造成電池失衡的最大殺手：

 

　　1、電池的溫度差異，電池組的安裝通常都比較密集，每個部位的電池溫度都不相同，影響電池的一致性發(fā)揮，加速電池間差異；

 

　　2、劇烈充放電，加速電池間差異的擴大；

 

　　儲能電池組的容量都非常大，以標稱500Ah電池組為例，假設電池的最大容量和最小容量的差異是50Ah，其他電池間的差異在5至10Ah不等，則系統(tǒng)的最大有效放電容量為450Ah(暫定其編號為D電池，下同)，假設放電電流50A，則理論最大放電時間約為9h。超過這一時間，D電池將達到放電截止電壓，進入過放電狀態(tài)，如果繼續(xù)放電，將嚴重傷害D電池，其最大有效容量將急劇減少，從而進一步降低電池組的最大有效容量。這里面還涉及到一個放電倍率的問題，最大容量電池的放電倍率是0.1C，D電池的放電倍率0.11C，其他電池的放電倍率則處于0.1C～0.11C之間，放電倍率的不同，使每塊電池的衰減程度就不同，這將導致電池的差異和一致性逐漸擴大，并且呈加速趨勢。同樣，充電期間，按0.1C倍率充電，D電池的充電倍率達到0.11C，處于最大，最先達到充電限制電壓，繼續(xù)充電將進入過充電狀態(tài)，對D電池造成進一步的損壞，其他電池充電倍率則為0.1C～0.11C之間，充電倍率的不同將加劇電池的差異和一致性擴大，并且呈加速趨勢。這樣的電池組，經(jīng)反復充放電，最終將導致有效容量越來越小，有效放電時間越來越短。大容量儲能電池組還有一個嚴重問題，那就是熱失控風險問題，對于本電池組，如果不能進行有效防控，D電池將可能成為電池組充放電過程中溫度最高的一塊電池，極易發(fā)生熱失控故障，輕則電池徹底報廢，甚至引起電池組故障，重則可能會發(fā)生更加嚴重的連帶問題，不敢想象。如果電池組在運行期間能維持每一塊電池都不發(fā)生過充電和過放電，那么電池組的有效容量和放電時間就能得到保證，始終處于自然衰減狀態(tài)，由此可見，電池均衡對于電池組的正常安全運行是多么的至關重要。

 

　　對于本例中的D電池，如果能將其放電電流自動降至50A以下，如47～48A，不足的2～3A電流自動由其他容量大的電池提供，那么總體放電時間就可以超過9h，與其他電池共同到達放電終點，并且不會發(fā)生過放電；同樣，如果能將其充電電流自動降至50A以下，如47～48A，剩余的2～3A電流自動轉移到其他容量大的電池，自動提高大容量電池的充電電流，與其他電池共同到達充電限制電壓，就不會發(fā)生過放電。由此可見，均衡電流必須要達到5A以上方可滿足要求，特別是在充放電末期，從均衡原理上，只有轉移式電池均衡器才可能勝任。

 

　　目前有效的電池均衡技術進展很不平衡，特別是在均衡電流和均衡效率上，盡管有些方案已經(jīng)采用了同步整流技術，但最大均衡電流多局限在5A以內(nèi)，連續(xù)均衡電流只有1～3A，滿足不了需要。由于必須支持雙向均衡，電流轉換效率通常也不高，較大均衡電流下的自身發(fā)熱問題仍比較突出，還有一個重要障礙就是設備成本，由于多數(shù)采用了同步整流芯片，成本增加不少。

 

　　高效電池均衡技術

 

　　目前，一種大功率、高效率、實時、動態(tài)轉移式電池均衡器技術已由大慶市交通運輸局的周寶林同志歷經(jīng)多年研制成功。它以國家專利技術(專利號201220153997.0和201520061849.X)為核心，又融入了自行發(fā)明的雙向同步整流技術(已申請專利：一種具有雙向同步整流功能的轉移式實時電池均衡器，申請?zhí)枺?01710799424.2)，這是一種不需要同步整流芯片的雙向同步整流技術，不僅設備成本大幅度降低，而且將均衡電流和均衡效率大幅度提升。實現(xiàn)了均衡技術指標上的突破，具有以下特點：

 

　　1、均衡電流范圍大。均衡電流大就意味著均衡速度非?？?，見附表。目前增強版鋰電池均衡器已實現(xiàn)均衡電流與電壓差的關系約為1A/13mV，例如電壓差達到130mV時，均衡電流可以達到10A左右，特別有利于高速均衡。

 

　　2、均衡效率高。均衡效率高意味著電能的損耗更少，利用率更高，設備的溫升更低，見表1。

 

　　3、實時動態(tài)均衡。電池組靜止狀態(tài)下，可以將組內(nèi)最大電壓差控制在10mV以內(nèi)甚至更小(取決于基準電壓差的設定)，并進入微功耗待機檢測狀態(tài)，電池組無論是在充電狀態(tài)，還是在放電狀態(tài)，一旦檢測到電壓差大于基準電壓差，立即進入高速均衡狀態(tài)，實時動態(tài)均衡的最大好處是有效均衡時間長，均衡器的效率最高，其獨特的脈沖技術對電池具有良好的養(yǎng)護和容量提升效果，已經(jīng)得到應用的檢驗。