>警法>>正文

锂电池大规模梯次利用的安全运行风险及防控

原标题:锂电池大规模梯次利用的安全运行风险及防控

电动汽车用锂电池退役后,并非电池组内所有电池全部失效,通常只是其中的一个或几个单元因为频繁过充电或过放电完全报废,其余电池经检测和筛选后,大部分具有梯次利用价值,由于梯次电池的一致性不可控,很容易在梯次使用期间继续发生一致性问题,并引发热失控、爆炸、起火等事故。本文对相关问题进行了阐述,提出高效均衡方案解决一致性管理难题,并通过具体实例进行了技术验证。

1

一致性问题

电池成组并使用一段时间后,会发生很多异常变化和现象,俗称一致性问题,典型表现为:一是电压变化,组内电池的电压在充电和放电期间总是存在个别单元电池电压出现过高和过低的问题,充电时电压快速上升,带负载时电压快速下降,断开负载时,电压有快速反弹,恢复正常;

二是充放电时间变化,充电时很快就提示充满电,放电时电量很快就放完,持续时间大幅度缩短,无论是充电时间还是放电时间都远远低于使用初期;三是充放电容量变化,无论是充电计量容量还是放电容量都远远低于使用初期;

四是带负载能力变化,同样的负载,特别是感性负载,如电机,动力性能快速下降;五是电池温升变化,充电和放电期间,个别电池的温升过大;六是电池外形发生明显变化,个别电池的外廓尺寸发生明显变化,特别是方形电池,突起现象明显(内部压力过大所致)。上述任意现象都表明,电池组发生了典型的一致性问题。

电池组一致性差异管理难题由来已久,长期以来,一直困扰着广大用户和技术管理人员,难以有效解决,其产生原因是多方面的,既包括电池组自身的原因,也与电池的生产工艺、品控和配组有关,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,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最主要原因。

2

为什么要梯次利用

当电池组发生一致性差异问题并严重影响使用的情况下,由于技术的缺乏和难以操作,用户通常选择更换电池组的方式继续保证设备正常使用。然而,大量的检测和统计数据表明,电池组发生严重的的一致性问题后,并非所有电池都达到了使用寿命,而只是其中的一个单元或几个单元电池提前报废引起整组电池性能严重下降所致,剩余的电池大部分都有重复利用价值。

无论是国内还是国外,这种情况具有普遍性,特别是随着电动汽车大量锂电池组的退役,大批量锂电池通过科学的筛选、分容、分档,大部分电池可以按照梯次利用的原则继续使用,这样可以最大限度地减少电池的报废数量,提高电池在生命周期内的利用率。

3

梯次利用的技术难点

通过分析和检测发现,一致性问题的普遍存在是电池组提前进入退役期的根源,如果不彻底解决电池组的一致性问题,那么一致性问题在梯次利用电池组中将同样长期存在,电池组使用寿命短的实际问题就无法得到根治。

同时由于梯次利用电池配组时存在先天性个体差异,会导致成组时就存在一致性不确定、甚至可能很差,最终会导致梯次利用电池组的有效使用寿命更短,降低性价比,因此,梯次利用电池组的核心技术难点仍然是如何高效控制电池组的一致性问题?如何从技术上控制一致性问题的进一步快速发展?

4

电池均衡的作用

在有效控制和解决电池组一致性差异问题方面,业界公认的解决方案是采用电池均衡技术,虽然电池均衡技术有多种,目前主要包括被动均衡(包含主动控制下的被动均衡)、充电均衡和转移式电池均衡三种,其中被动均衡和充电均衡无论是技术原理还是应用实践上,因存在明显的固有缺陷,无法用于电池组的放电均衡,从根源上无法解决“落后”电池过放电问题,不是一个完全意义上的解决方案,只是一个过渡阶段的电池均衡技术。

而转移式电池均衡技术则融合了充电均衡、放电均衡和静止均衡,涵盖了电池组运行的全过程,是一个真正意义上的电池均衡技术。

由于一致性差异的存在,电池的容量和电压表现上会出现一定的差异,例如充电期间,容量小的电池较正常容量电池的电压上升速度快,首先到达充电终止电压,如果继续充电,很容易造成过充电,过充电后电池的内阻会快速增大并加快电池发热速度,如果不降低充电电流或者停止充电,极易发生热失控,存在发生爆炸、着火的危险;

同样,放电期间容量小的电池较正常容量电池的电压下降速度快,最先到达放电截止电压,如果继续放电,很容易造成过放电,过放电后,电池的内阻会进一步增大,加速电池的发热速度,如果不降低放电电流或停止放电,极易发生热失控,同样存在发生爆炸、着火的危险。

因此如果电池组的一致性差异过大,那么容量小的电池的损伤速度将进一步加快,通过这一过程我们可以发现,如果我们能够通过自动化技术自动调节不同容量电池的充放电电流,即自动降低小容量电池的充放电电流,匹配增大其它电池的充放电电流,就可以防止“落后”电池的电压充电时过高或者放电时过低,实现不同容量电池的电压同步上升和下降,主动降低不同容量电池间的相对电压差。

虽然电池之间仍存在一致性差异,但是一致性问题的各种表现却得到控制或消除了,这也就达到了解决一致性问题的目的。这就是电池均衡技术需要解决的问题和需要完成的任务,现有技术方案下,只有电池均衡技术才能实现这一功能,因为它能实现电流的分流功能。

当通过智能分配差异电池的充放电电流时,“落后”电池的实际工作电流会降低,由于内阻原因引起的温升也会自然降低,特别是夏季或温度较高的环境下,非常有利于降低“落后”电池的热失控风险及其引发的安全事故,提高运行安全系数,这一结论已得到大量实际应用的验证。

5

电池均衡技术的选择

梯次利用锂电池组具有容量大、工作电流大、电池质量和一致性差异不确定性的特点,因此成组后的梯次利用锂电池组本身就存在一致性差异的不确定性,这就对电池均衡技术提出了更高的要求。由于被动均衡和充电均衡在均衡原理上都只能用于充电均衡,存在固有的缺陷,不适合大容量梯次利用锂电池组的实时快速均衡要求,而转移式电池均衡技术,特别是实时转移式电池均衡技术具有无可比拟的技术优势,非常适合梯次利用锂电池组。

6

高速电池均衡技术的优势

理论和实践证明,转移式电池均衡技术的确可以较好地解决电池组的一致性问题,特别是在一致性差异不大的情况下,均衡表现是非常不错的,但如果一致性差异较大,那么现有设计就难以快速满足需要,主要表现在均衡电流过小,无法适应高速均衡的需要。

因此,转移式电池均衡技术还必须解决均衡电流动态范围的问题,也就是支持的均衡电流必须足够大,现有技术虽然可以提高均衡电流,但随之带来的就是功率器件在大电流下的发热量急剧上升,很难实现均衡能力与发热之间的矛盾合理兼顾,这一实际难题需要进一步通过优化设计来解决,但受设计架构的限制,很难实现突破。

如要从根本上解决这一矛盾,必须转变设计思路,将传统的通过二极管进行续流的结构,如图1所示,升级为同步整流,而且必须是双向同步整流,以便实现均衡电流方向的自动任意切换,基于目前电子元器件工业的技术现状,最理想的替换方案就是利用场效应管导通电阻小、导通压降低、损耗小的特性解决二极管导通压降大、损耗大的难题,只要控制方法得当,技术上是完全可行的。

目前,应用于大功率直流电源中的同步整流技术是单向同步整流,技术是成熟的,通常采用专用芯片或内置同步整流控制技术来实现,但这种控制技术应用局限较大,不适合用在电池均衡所需要的双向同步整流控制上。

为了解决这一难题,作者另辟蹊径,历时多年的研究,开发出一种全新的双向同步整流控制技术,将这一难题成功解决,在换能电路上取消了两只续流二极管,通过两只场效应管功能自动互换实现同步整流,如图2所示。

这种换能结构的变化,在简化换能电路和设计的同时又提高了可靠性,当然必须依靠主控电路的精准驱动控制才能实现,改进后的实验样机对比测试的直接效果是:在相同的温升情况下,均衡电流提高了数倍,同时实现了均衡速度和均衡效率在本质上的双提高。

经实测,在相同的均衡电流下,例如3A均衡电流,采用双向同步整流的设计温升非常小,甚至几乎没有明显温升,温升的降低可以延长设备的使用寿命和可靠性,为大容量梯次利用电池组的安全、稳定和高效运行提供了技术上的保障。

7

实例

下面结合具体实例进行说明。实验电池组共13串,所用电池均来自拆机退役电池,隶属于不同电池厂商,均为标称3.7V锂离子电池,原设计容量2200mAh至2600mAh不等,实际剩余容量(1A恒流放电至3.0V时的容量)在0.6Ah至1.7Ah之间分布,除了容量差异悬殊外,内阻、自放电率、放电曲线等参数的差异都非常大。

通常情况下,这种退役电池是不适合梯次利用的,但为了验证这种设计的技术优势,本文以均衡放电为例进行说明,为确保实验的公平,放电之前,先进行均衡充电,确保每一块电池都基本充满电,均衡充满电后的各电池电压分布如图3所示,采用高精度电压表头,最右侧带有“表头供电”字样的电池为表头供电专用,不参与电池组充放电。

图3 电池组充满电后的电压分布

7.1 常规放电

对本电池组直接进行常规放电,1A恒流放电,当放电终止电压达到39V(13*3.0V)或者任意一块电池的电压降至3.0V时,即为放电结束,实际放电时间36分钟,10#电池(图中电压显示2.998V)到达放电结束电压,结束放电。但从电压显示数据来看,电池之间的电压差异较大,最大电压差接近0.6V,大部分电池仍具有很多电量没有得到有效释放,容量浪费严重。

放电实验结束时,10#电池的温升略高于其它电池,如果按照放电截止总电压继续放电,那么10#电池很快就会到达放电截止电压2.75V并快速进入过放电状态,将会对10#电池产生不可恢复的伤害。

图4 电池组常规放电36分钟时的电压分布

7.2 均衡放电

对本电池组重新采用相同的标准充电,再将本文高效电池均衡器样机连接电池组并进行1A恒流放电,放电标准相同,实际放电时间长达58分钟,远远超过常规放电时间,均衡放电结束时的电压分布情况如图5所示。

通过每块电池的剩余电压可以清楚地看到,均衡放电结束时的电池组,电压的一致性仍然非常好,最大电压只有71mV,电压分布合理,明显优于常规放电,完全符合设计要求,在放电结束时刻,经红外测温仪测量,13串电池的温度几乎没有明显差异,温升适中。

图5 电池组均衡放电58分钟时的电压分布

8

展望

锂电池的梯次利用,特别是电动汽车巨量退役锂电池的梯次利用对延续锂电池的生命价值、减少报废电池数量、减少环境污染、提高资源的综合利用率意义重大,符合国家的政策,但锂电池的大规模梯次利用并不是简单的再重组,有大量的技术问题需要解决,特别是运行安全问题。

而这其中,尤为重要的是电池的一致性管理难点问题,如果处理得好,退役电池可以得到高效利用,利国利民。否则,梯次利用的退役电池更容易发生热失控风险及其所带来的严重后果,引发爆炸、起火等安全问题。

参考文献

[1]周宝林,周全:一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器

[2]周宝林,周全:转移式电池均衡技术对电池电压与荷电量影响的研究

[3]周宝林,周全:转移式实时电池均衡技术对衰减电池组容量和温升的影响返回搜狐,查看更多

责任编辑:

声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。
二极管导通 直流电源 同步整流技术 实验电池 周宝林
阅读 ()
投诉
免费获取
今日搜狐热点
今日推荐