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大电流充放电对电池组运行、热失控的影响及防范措施

2019-11-19 13:55| 发布者: admin| 查看: 223| 评论: 0

摘要: 大功率、大容量电池组的充放电电流通常都非常大,电池内阻的存在会使电池在充放电时发热,当电池发生较为明显的衰减后,内阻增大,发热量增加明显,热失控风险加大,传统的被动均衡和充电均衡由于自身技术缺陷,分流 ...
[摘要]大功率、大容量电池组的充放电电流通常都非常大,电池内阻的存在会使电池在充放电时发热,当电池发生较为明显的衰减后,内阻增大,发热量增加明显,热失控风险加大,传统的被动均衡和充电均衡由于自身技术缺陷,分流能力弱,难以满足抑制热失控的需要,而转移式实时电池均衡技术其特有的技术优势,自动调节电池的充放电电流,降低衰减电池的充放电温升,拟制热失控作用明显,实例表明,这一技术对于解决大功率储能、动力电池组的安全运行意义重大。
关键词:电池均衡,等倍率,双向同步整流
01
热失控
在锂电池没有大规模应用在储能和动力电池组商用以前,热失控是指铅酸电池在充电时,电流和温度均升高且互相促进的现象。最终可能导致铅酸电池膨胀、烧毁。随着锂电池的大规模商用,热失控在锂电池组中的显现更加明显,通常发生在充电和放电期间,特别是以充电期间发生热失控的概率更高一些,锂电池发生热失控后,其产生的危害、造成的后果、危险甚至超过铅酸蓄电池。
特别是容量和功率巨大的的储能、动力电池组,主要是因为锂电池中所使用的锂元素化学性质非常活泼,据报道,自2018年5月以来,韩国储能行业发生了发生了23起严重火灾。2019年6月11日,韩国政府正式公布调查结果,所有23起储能系统火灾事故中有14起在充电后发生, 6起发生在充放电过程中,因电池充放电原因发生的事故数量和比例占了绝大多数,都是典型的热失控故障。
根据官方机构统计,2018年我国新能源汽车起火事件至少发生40起。而今年以来,新能源汽车起火事件依然频发,在4月21日至4月24日的四天时间内连续发生三起起火事故。与此同时,新能源整车召回事件也频发,其中因电池安全而引起的召回较2018年明显增多。业内人士认为,电池安全是新能源汽车起火最关键的因素,电池安全管理缺陷,特别是一致性管理难题会导致车辆在使用过程中可能发生电池包内部过热的现象,存在热失控起火的安全隐患,是需要重点攻克和解决的难题、课题。
02
热失控原因剖析
通过热失控的成因,我们可以知道,热失控既可以发生在充电期间,也可以发生在放电期间,它的发生与电流密切关联,因为只有电流才会引起电池温度的剧烈变化,下面进行详细剖析。
首先,锂电池都是有内阻的,对于锂离子电池而言,电池内阻分为欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻,包括电化学极极化和浓差极化引起的电阻。锂离子电池的实际内阻是指电池在工作时电流流过电池内部所受到的阻力。
在电池充放电过程中,电池内阻大,会产生大量焦耳热(根据公式:E=I2RT,其中I是电流,R是内阻,T是时间),引起电池温度升高,当温升达到电池的工艺设计极限时,锂电池就会进入一个异常极端,即热失控。焦耳热的另一个计算公式是E=UIT,其中U是单元电池的电压,其它同上,在高倍率充电的情况下,衰减电池的电压通常最高,产生的焦耳热也最多,这就是热失控通常发生在充电期间的原因。
热失控通常不会发生在新装配的电池组上,主要是因为,新装配的电池组,每个单元电池的内阻都非常小,而且基本相同,大电流下的发热量都比较小,很快就会散掉。当电池组的一致性出现异常时,变化最为明显的电气参数是电池的电压、内阻、容量,特别是衰减电池,不仅容量降低,而且内阻增大,这一升一降的结果直接影响电池的电压剧烈波动,导致电池极易进入过充电或过放电状态,进一步加剧电池组的衰减。
内阻的差异,使得衰减电池在充放电时的温升远远高于其他正常电池,并在电池组内部形成明显的温度差异,温度越高,电池的衰减速度越快,衰减又加速温度的升高,形成恶性循环。
03
防范措施
通过前面的分析,我们可以发现,影响电池温升的核心因素主要有两个,分别是电流和内阻。当电池发生衰减后,内阻会随着衰减程度的加剧逐渐增大,无法对其进行任何控制,唯一能够改变的就是充放电电流。
改变充放电流的方式有两种,第一种方案是适当降低电池组的充放电电流,减少衰减电池的实际发热量,进而降低温升速度,但这样做会延长充电时间,降低放电功率,可能会降低电池组的实际效能;第二种方案是不改变电池组的充放电电流,通过电池均衡技术调整不同单元电池的实际充放电电流,减少衰减电池的充放电电流,适当增大其它正常电池的充放电电流,最终实现所有不同容量电池电压同步。
04
电池均衡技术
电池均衡技术依托于电子技术的发展,主要经历了三个阶段。
第一个阶段是被动均衡阶段,主要是要解决不一致性电池组中的“差”电池不被过充的问题。在技术方案上通过“开关管+电阻”的方式对超过充电限制电压的电池进行被动放电,限制电压上升速度,这是一种典型的被动均衡技术,内置基准电压和控制电路,并联在电池的两端,当电池的充电电压达到和超过充电限制电压时,开关管和电阻工作,对超过限制电压的电池强制放电。
这种被动均衡方式,由于电能通过电阻放电转化为热量释放掉,电阻长时间处于较高的温度下,因此均衡电流通常都比较小,一般在40mA至200mA之间,并且由于介入的时机较晚,因而均衡效果不很理想,即使在后来引入了BMS程序控制机制,将介入时机提前,仍无法达到预期效果。
此外,应用上的数据测量也发现,当电池组的充电电流远远大于被动均衡电流的情况下,被动均衡的单元电池发生过充电的概率仍非常高,在充电的中后期,低容量电池单元仍长时间处于过充电状态,导致小容量电池充电时过热,防过充电的效果远远低于预期,被过充电问题依旧持续存在,更重要的是这种均衡方式不支持放电均衡,被强制充电均衡的低容量电池的电量会率先放完电,一旦BMS系统工作失常,低容量电池就会进入过放电状态,对电池进行二次伤害,加剧低容量电池的衰减。
由于被动放电均衡不支持放电均衡,有厂商通过BMS控制对放电期间大容量电池进行被动放电,努力提高电池间的一致性,虽然在表面上是主动进行一致性控制,但浪费的是宝贵的电能,都变成焦耳热散失掉了,从充电到放电的全过程都在不停的浪费宝贵的电能,提升电池组模组的温度,特别是夏季高温季节,对预防电池组的“热失控”极为不利,反而起到推波助澜的作用。
即便这样,由于均衡电流实在过小,低容量电池充电时过充,放电时过放弊端还是无法解决,这是被动均衡的局限和必然结果,因此被动均衡仅仅只是一种概念上的宣传,没有多大的实际意义。
第二个阶段是充电均衡,主要解决被动均衡方案下均衡电流不足和电能利用率低的问题。实质上属于主动均衡范畴,只在充电期间起作用,高电压电池(低容量电池充电时电压相对高)将多余的电量通过转移的方式回馈到电池组,不再通过转换成热量释放掉,电能利用率有了较大幅度提高,均衡电流有了明显提高,可以达到安培级别,防过充效果比较显著,通常只在电压差较大的情况下才发挥作用,同样存在均衡介入时机延迟、均衡效率不高的问题,虽然通过较大的均衡电流降低了低容量电池过充电的风险,但因不支持静态均衡和放电均衡,特别是放电过程中低容量电池过放电的概率非常大,因此,这种电池均衡仍是一种过渡性的电池均衡技术。
第三个阶段是全过程均衡,主要解决充电、放电、静止(包括恢复期)期间全过程主动均衡问题,这是一种真正意义上的电池均衡。这项技术是社会对大功率储能、动力电池组安全、高效运行的需要,特别是预防热失控的迫切需求,因为传统的被动均衡和充电均衡技术难以满足安全需求,性能优异的转移式电池均衡技术的开发热潮应运而生,深受研发机构和企业的青睐。
其设计架构和实现的方式多种多样,既有并联均衡,也有串联均衡,均衡电流、均衡效率、均衡能力、实施方式各异,转移式电池均衡技术的问世,对提高电池组的安全运行系数,提高平均容量利用率,防范低容量电池的过充电和过放电,特别是防控热失控故障具有重要里程碑的意义,虽然好处多多,但这种电池均衡技术有其自身技术难点。
经过大量研发机构多年研发,已经有若干型号电池均衡产品问世,除了均衡效率、均衡性能还有待进一步提高之外,普遍存在一个明显缺点,那就是设备复杂、特别是成本过高,用户接受困难,难以普及,迫切需要一种适应性好、均衡能力强、效率高、成本低的高效电池均衡技术。
05
转移式电池均衡技术难点
尽管这种高效电池均衡技术具有非常强大的均衡能效,代表未来电池均衡技术的发展方向,具有广阔的发展前景,但是从国内外的技术发展情况来看,进展并不顺利,困难重重,研发难度远远超过研发者的心里预期,从电池组的安全、高效运行需求来看,这种电池均衡技术必须要解决几个关键技术:
一是要能提供宽幅范围的均衡电流。电池组一致性差异很小或者不明显时,很小的均衡电流即可满足需要,当充电中后期或者放电末期电池组的一致性差异增大时,则需要较大的均衡电流强制进行均衡,因此,均衡电流必须适应这种宽幅变化的需要,并且自身应保证安全运行,不会因为电流过载而烧毁。
二是具备较高的均衡效率。当均衡电流较大时,功率元器件的发热量就要升高,如果设计优秀,功率元器件的执行效率就高,发热量会降低,不仅会保证均衡效率高,延长设备的使用寿命,还会降低电池组的温升、衰减速度和热失控风险;
三是控制成本。目前已上市的电池均衡技术产品普遍价格高昂,主要是其设备成本过高所致,与设计所采用的控制芯片及元器件的成本过高有关;四是适应性问题。例如,同样是用于锂电池组均衡,串数较少时均衡效果较为理想,串数增多时均衡效果就严重下降,因此有的产品都有电池组串数限制,难以用在多串数储能、动力电池组。
再如,部分电池均衡器产品对电池组的一致性要求比较苛刻,只能用于一致性较好的电池组,当一致性较差,特别是充放电期间电压差较大时,即使设备的温升很低也会报警,停止均衡工作,必须通过人工干预将电压差强制降下来后才能重新启动均衡器,这种情况下的电池均衡器就表现出较差的适应性,失去了意义。
06
高效电池均衡技术研发进展及实例
从产品需求的角度,理想的电池均衡技术应尽可能满足上述需求,但现实中的电池均衡产品通常只能满足部分指标,因此,大规模应用必然受限。理论上,这种需求的电池均衡技术,通过科学、合理的设计是可以实现的,通过这些年的电池均衡技术发展来看,难度确实比较大,实现较为困难。
作者另辟蹊径,以一种全新的低成本设计理念开展持续性的电池均衡理论研究和技术验证,相继研究出相对电压差控制理论、差异化电流分配理论、双向同步整流理论,提出等倍率充放电理论以及均衡电流与电压差联动理论并同步设计出具体实施电路,针对均衡需要解决的主要问题方面全力开展技术攻关,逐一攻克每一个技术难点。
经过持续多年的不懈研究,成功研制出低成本的高效电池均衡技术,期间,为解决均衡电流难以安全、高效提升的问题,独创性地开发出简洁、高效的双向同步整流技术,将均衡电流的支持能力实现质的飞跃,在温升不变的情况下将均衡电流大幅度提升,在功率开关管没有任何散热片的情况下,可以实现5A以上连续均衡电流,实现了均衡电流和均衡效率的大幅度提升。
如果配上简易的散热片,就可以支持10安以上连续均衡电流,而且可以进行扩流。通过设计样机在一致性较差的大功率储能、动力电池组的大电流充放电测试实验发现,在电压差控制、均衡电流分流能力、电池容量的利用率、低容量电池的防过充过放控制、温升控制等具有非常出色的表现,如图所示。
这是一组电池均衡技术样机在24串单体2V800Ah电池组的实验,接入均衡设备前,最大电压差高达150mv,是行业标准的6倍,不一致问题非常严重,接入均衡实验样机24小时后,最大电压差下降至35mv,72小时后,最大电压差只有6mv左右,远远优于行业标准了。
经过几个循环的大电流充放电(平均电流90~100A),电压一致性表现非常理想,符合均衡设计要求。电池均衡技术在大功率储能、动力电池组上的应用,最主要的功能除了稳定电池组容量、提高容量利用率、抑制一致性问题的扩大外,最重要的功能是防范一致性问题给电池组带来的安全运行风险,特别是要防范热失控问题的发生。
07
远景
大功率储能、动力电池组的一致性问题的发生和扩大具有一定普遍性,由此带来的安全风险问题突出、事故不断,造成的损失巨大,电池均衡技术特别是高效转移式实时电池均衡技术是目前的最好解决方案,它的任务和使命是防范低容量电池的被过充电和被过放电,但要真正实现这一功能,任务非常艰巨,虽然现在已经开发出这样的技术,但距离实际商用、造福社会还有很长的路要走,随着研发的不断投入,低成本、高效的电池均衡技术一定会大放光彩。
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

(责任编辑:子蕊)

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