高效電池均衡器技術在梯次儲能蓄電池中的應用

來源:UPS應用

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關鍵詞:儲能電池 蓄電池 動力電池

    ?梯次電池是指已經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使用的蓄電池。


    電池均衡技術可提高電池組的使用壽命、延長電池組的使用時間,適用于大容量鎳氫、2V鉛酸電池、鋰電池、6V鉛酸、12V鉛酸等電池組以及超級電容器組。


    梯次電池與選用


    梯次電池是指已經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期,完全可以按照小容量電池使用,通過一定數量電池的并聯使用,可利用容量獲得數倍的提高,完全滿足儲能和動力需要,這一點與電動汽車為了增加續航里程,采用大量并聯電池增加電池容量的道理是相同的。


    電池組在使用5年后,可用容量和續航時間明顯縮短,用戶和經銷商通常整體更換,殊不知,并不是一個電池組內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境污染,被譽為是目前和今后的重點發展對象。


    動力電池再利用是動力電池產業鏈形成閉環的關鍵環節,在環境保護、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過測試、篩選、重組等環節,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,無論是節能方面還是環保方面意義重大,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間必須相同。工作電壓區間不同的電池不能出現在同一電池組中,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、電壓和內阻測量,盡可能選擇容量和內阻接近的電池,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,需要使用數量更多的電池通過合適的串并聯來達到設計容量,因此需要根據技術條件來裝配。


    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,常用于數據中心或機房。


    兩種裝配方式各有優缺點,適合不同環境:


    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)會影響一個并聯單元,對容量的影響比較大,直接影響續航時間(里程);優點: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,特別適合數據中心;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;二是外觀發生形變,如外殼膨脹的電池;三是發生漏液的電池。


    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,幾十個充放電循環后仍然會發生不同程度的差異,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。大量檢測數據發現,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明顯高低錯落、不規則分布;


    2、單元電池的剩余容量大小呈現不規則離散型分布;


    3、單元電池的內阻大小同樣呈現不規則離散型分布。


    通過對檢測數據的進一步統計發現,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,如果繼續放電,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,繼續充電將進入過充電狀態,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,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,盡管有些方案已經采用了同步整流技術,但最大均衡電流多局限在5A以內,連續均衡電流只有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,申請號:201710799424.2),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常快,見附表。目前增強版鋰電池均衡器已實現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、實時動態均衡。電池組靜止狀態下,可以將組內最大電壓差控制在10mV以內甚至更小(取決于基準電壓差的設定),并進入微功耗待機檢測狀態,電池組無論是在充電狀態,還是在放電狀態,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,實時動態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護和容量提升效果,已經得到應用的檢驗。


    使用大電流、高效率電池均衡器能最大限度預防衰減電池的過充電、過放電以及熱失控故障。即使電池組的容量衰減已形成一致性變差的事實,也能非常好地降低其衰減速度,通過自動強制電壓保持一致性,在一定程度上還能提高電池組的有效容量,延長電池組的循環使用壽命,特別是明顯減少維修和維護成本。


    實際使用效果:在24串單體2V170Ah客戶返廠鉛酸蓄電池組上的使用。采用標準17A電流充放電,在無均衡器情況下,充滿電后的最大放電時間約3h,3塊電池放電期間發熱嚴重,嚴重過放電,電壓值低于0.5V,其中1塊電池為-0.1V,出現了極性反轉,21塊電池電壓在1.8~2.0V不等,尚有很多電量沒有釋放出來;使用本文的電池均衡器樣機后,標準充放電參數下,幾個充放電循環后,放電時間逐漸延長到5.5h左右,提高效能達80%以上,3塊最差的電池,放電結束后的電壓全部在1.5V以上,并且放電電壓逐漸上升,特別是當初發熱嚴重的問題,得到極大改善,溫度降低非常明顯,只有4塊電池的電壓在1.9V左右,其余電池均在1.8V左右,電池電量得到充分、有效釋放。

    (審核編輯: Doris)

    2010年中超联赛