干货等倍率充放电对电池组一致性改善的测试及数据分析

⼲货等倍率充放电对电池组⼀致性改善的测试及数据分析
作者：周宝林周全来源：动⼒电池⽹
电池衰减速度的差异，是电池组形成⼀致性差异的根本原因，⽽电池的衰减与电池的充放电电
压、充放电电流、充放电倍率、环境温度具有直接的连带关系，实践证明，充放电倍率对于蓄
电池衰减速度影响⾮常⼤，当电池的充放电倍率差异过⼤时，加剧电池组的⼀致性差异和衰
减。

本⽂通过对充放电倍率对电池衰减的分析，提出通过等倍率充放电来降低⼩容量电池衰减速度
的思想，借助⾼效转移式电池均衡器对差异巨⼤电池组的循环充放电实验，对等倍率充放电理
论进⾏了验证。

实验证明，等倍率充放电是控制电池衰减、提⾼容量利⽤率的最有效⼿段。

关键词：电池衰减，充放电倍率，等倍率，电池均衡
1、充放电倍率差异对电池组⼀致性的影响
⼤功率储能、动⼒电池组均为串联结构，为获得更⼤容量，有时还要采取多并多串结构，电池
配组后，我们期望的结果是电池组的充放电容量稳定、各单元电池的电压近似相同，电池组的
使⽤寿命接近单个电池的设计使⽤寿命，不发⽣明显的电压⼀致性问题，充电时电压同步上
升，没有电池发⽣过充电问题；放电时电压同步下降，没有电池发⽣过放电问题。

但现实却是残酷的，⼤量的使⽤数据显⽰，电池组的满功率实际循环使⽤寿命通常只有单体电
池设计寿命的1/5～1/3,远远达不到设计要求，问题严重的还会发⽣“热失控”故障并引发安全事
故。

⽽导致电池组寿命短的最根本的原因，就是电池组的⼀致性问题未能得到根本解决。

电池组的⼀致性问题发⽣的原因⾮常复杂，既有电池⽣产制造⼯艺上的原因，简称内因，⽆法
改变。

如内阻、⾃放电率（⾃⾝漏电）、容量等参数的差异，也有使⽤期间的外界环境因素，
简称外因，如环境温度、充放电电压、充放电电流、充放电倍率等。

综合来看，外因对⼀致性
的影响更⼤，是需要重点关注和解决的，通过技术⼿段可以进⾏优化和解决。

我们知道，充放电电流与于放电倍率密切关联，在充放电流不变的情况下，电池的容量就起到
了决定性因素，容量越⼤，充放电倍率越⼩；容量越⼩，充放电倍率越⼤。

同时充放电倍率⼜
直接影响到电池的温升、电压升降速度以及充放电限制电压等等，相互关系如图1所⽰：
图1 充放电倍率对电池衰减影响⽰意图
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。

由此可以得出结论，控制电池的充放电倍率是防控电池衰
减的关键。

⼤量实验数据表明，充放电倍率对于锂离⼦电池衰降速度具有极⼤的影响，趋势和结论是：充
放电倍率越⼤，电池衰减速度越快，标准充放电倍率及以下，电池的衰减速度最⼩。

可见，合
理控制电池的充放电倍率是保证电池循环使⽤寿命的保证，特别是放电倍率。

如图2所⽰：
图2 放电倍率对某类型锂电池循环使⽤寿命的影响
新装配电池组，由于电池多为同⼀批次，每块电池的容量、内阻和电压都接近，实际放电倍率
和输出功率都基本相同，因此电池组的动⼒输出表现和续航时间最佳，使⽤上的表现为新电池
⾮常耐⽤。

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、内阻等差异越来越⼤，使得电池间充放电倍率差异增⼤，未衰减或轻
微衰减电池的充放电倍率基本不变，衰减电池的充放电倍率则明显增⼤，衰减越严重，实际充
放电倍率越⼤，温升越明显，不同的温升还会进⼀步加剧电池的差异化衰减。

充放电倍率包括充电倍率和放电倍率。

在应⽤和实践中，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⼀致性问题的重要原因。

⾼倍率充电会使衰减电池（⼩容量电池）经常发⽣过充电，加剧⼩容量电池的衰减，并形成恶性循环。

恶性循环的最严重后果是充电时电池温度急剧升⾼，继⽽可能引发电池组发⽣爆炸、⽕灾等事故，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，低衰减或未衰减电池的容量⽆法得到有效利⽤。

⾼倍率放电加剧⼩容量电池的衰减，特别是放电期间，如果不能进⾏有效控制，⼩容量电池极易发⽣过放电，形成不可恢复性损伤，衰减加速，放电期间，温升明显超过其它电池，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，当充放电倍率和截⽌电压超过⼀定数值时，电池衰减加速，为了降低电池的衰减速率，需要选择合适的充放电倍率和⾼效控制截⽌电压。

2、等倍率均衡充放电实现机理及实例
通过前⾯的⽰意图不难看出，降低充放电倍率，即降低衰减电池的充放电电流是解决电池快速衰减的关键，科学实践证明，分流是最佳技术⼿段，通过⾃动化技术⾃动提⾼⼤容量电池的充放电流，降低⼩容量电池的充放电电流予以实现，即均衡充放电。

通过分流技术调整电池的充放电电流，就是在电池上并联⼀种⾃动调整装置，通过装置的智能化操作⾃动调节每⼀块电池的⼯作电流，实现⾃动分流。

即充电期间，⾃动对容量⼤的电池提⾼充电电流，对容量⼩的电池减⼩充电电流，进⾏等倍率充电；放电期间，⾃动对容量⼤的电池提⾼放电电流，对容量⼩的电池减⼩放电电流，进⾏等倍率放电。

基于上述原理，下⾯结合具体实例和测量数据进⾏说明。

为使实验测量数据明显地反映出分流效果，采⽤容量⾮常悬殊的两块锂电池组建串联电池组， B1电池（绿⾊18650型号）容量约
1Ah，B2电池（蓝⾊⽅形）容量约为11Ah，使⽤双向同步整流技术的⾼速、⾼效电池均衡器[1]样机（⽀持10A以上连续均衡电流），两块万⽤表测量电池的实时电压，使⽤钳形表检测电池的实际放电电流，充电器型号DPS-305BF，恒流负载型号3710A。

2.1 ⼤电流均衡充电实验
对该电池组进⾏4A恒流充电期间，在均衡器的强⼤分流、均衡作⽤下，B2电池的实际充电电流远远⼤于充电总电流，⾼达7.13A，图3所⽰，本应通过B1电池的4A电流，实际上只有0.66A左右（图略），剩余的3.34A（4A-0.66A=3.34A）电流通过均衡器转换输送到B2电池，增加B2电池的充电电流，两块电池的实际充电电流相差6.57A，相差近11倍，⾮常悬殊。

通过计算，B1电池的实际充电倍率约为0.66（0.66/1=0.66）C，B2电池的实际充电倍率约为0.65（6.57/11=0.65）C，去除测量误差影响，两块电池的充电倍率基本相同。

图中还可以看到，尽管两块电池的充电电流⾮常悬殊，但是两块电池的相对电压差却⾮常⼩，只有70mv左右，温升基本相同，B1电池的实际充电电流⼤幅度降低，因内阻原因产⽣的热量⼤幅度降低，消除了潜在的热失控风险。

图3充电电流4A情况下B2电池的实际充电电流达到7.13A
2.2 ⼤电流均衡放电实验
在⼤电流恒流均衡放电实验期间，将总放电电流提⾼⾄5A，此时，均衡器的均衡电流⾼达
9.08A，如图4所⽰，经测量，电池B1和B2的实际放电电流分别为0.87A和9.82A（图略），通过计算得知B1和B2电池的放电倍率分别为0.87C和0.89C，去除测量误差，放电倍率基本相同，直⾄放电结束，两块电池的放电温升仍基本相同，B1电池实际放电电流⼤幅度下降，因内阻原因引起的温升⼤幅度降低，直接消除了温升引起的热失控隐患。

图4放电电流5A情况下B2电池的实际放电电流达到9.08A
均衡放电实验表明，均衡器的介⼊，对于控制不同容量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显著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，意义重⼤。

3、拓展实验情况及分析
在均衡放电期间及结束时，两块电池的电压⼀直处于安全、低压差状态，B1电池未进⼊放电截⽌电压区间，整组电池表现出良好的均衡放电特征，即使在全程使⽤5A恒流放电⾄放电结束的情况下，B1电池也没有出现温度升⾼的情况，控制温升效果显著。

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5A恒流充电⾄⾃动切换恒压充电期间，本应通过B1电池的的5A电流，实测最⼤充电电流只有0.84A左右，折合最⼤充电倍率约0.84C，⽽B2电池的实测充电电流⾼达8.8A左右，折合最⼤充电倍率约0.80C，两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0.11V左右，B1电池的最⾼电压也只有4.23V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B1电池更换为较⼤容量的电池时，并且电池均衡器不变的情况下，在进⾏相同的3A、4A和5A恒流充放电时，充放电流明显增⼤，补充电流和分流电流明显缩⼩，但两块电池的的充放电倍率仍基本相同，均衡器同样⼏乎感觉不到温升，可见均衡器的电流⾃动调节能⼒直接影响电池的充放电倍率。

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，不同容量电池实现了近似等倍率充放电，在均衡电压的同时，也同时对电池的容量和SOC[2]进⾏了均衡，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⼀个⽆法回避的现实难题，只要是串联电池组就⼀定存在，只是轻重程度不同⽽已，并且会随着时间的推移逐渐加重，如果从电池成组就通过通过主动均衡予以⼲预，那么⼀致性问题的发⽣就会⼤⼤延后，甚⾄不会发⽣⼀致性问题，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最佳。

当电池出现不⼀致情况时⾃动进⾏⼩电流均衡，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，保证电池组的充电容量和放电容量稳定，不仅解决了衰减问题、⼀致性问题，还提⾼了容量的利⽤率，特别是有效防控了热失控风险，提⾼了电池组的运⾏安全性。

4、展望
为便于阐述，增⼤测量数据的反差，提⾼视觉效果，本⽂只进⾏了2串容量悬殊电池组等倍率均衡放电实验，并进⾏了相应的数据分析，鉴于实验电池均衡器的⼯作原理，适合于任意串电池组，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，对于防⽌电池热失控、提⾼电池组的安全、稳定运⾏作⽤明显，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。

来源：动⼒电池⽹。