电池成组后衰减速度普遍很快的问题早已引起广大科技人员和用户的关注和重视，电池组快速衰减不仅严重缩短续航时间，也影响正常功率的输出，严重的还会引发热失控故障甚至事故。

电池衰减问题发生的原因非常复杂，既有电池自身差异（简称内因）原因导致的衰减，也有使用期间的外界因素（简称外因）如充放电电压、充放电电流、温度差异等，外因与内因共同叠加、相互作用最终导致电池组的快速衰减。其中，外因是导致电池组快速衰减的主要因素。

关键词：电池衰减，电池均衡，等倍率，热失控

1、电池衰减的主要成因

内因对于电池的衰减是缓慢的，与外因引起的衰减速度相比几乎可以忽略不计，外因才是造成电池衰减的主要成因。在各种外因中，最主要的影响因素是充放电电压、充放电电流以及温度，这些因素都会影响电池的充电限制电压和放电截止电压，当充电时电池的端电压大于充电限制电压或放电时的端电压低于放电截止电压时，电池会受到损伤，并且这个电压差值越大，电池受到的伤害越重，直至失效或报废。

同样，充放电电流也是影响电池电压的重要因素，特别是对于衰减电池的影响非常大，由于容量的降低，在较大的充放电电流下，衰减电池的电压上升速度和下降速度高于正常容量电池，容易导致衰减电池过充电及过放电，同时，由于衰减电池内阻的明显升高，较大充放电电流下，衰减电池的温升加速，远高于正常容量电池，温度的差异也明显影响不同电池的衰减速度，温度越高的电池衰减速度越快。

2、电池组衰减速度高于单元电池的原因

评价电池充放电速度快慢有个专用名词，称之为“倍率”，倍率反映的是电池充放电速度，涉及到两个主要参数，分别是充放电电流和电池容量，换算公式为：倍率=电流÷容量，由此可见，倍率的大小与电池的充放电电流成正比，与电池的容量成反比。

在单电池供电设备中，电池的充放电电流或倍率通常处于某一范围内，对充电限制电压和放电截止电压很容易进行控制，不易发生过充电或过放电的情况，因而电池实际使用寿命通常都比较长，而对于多串电池组，在没有任何均衡装置干预的情况下，无法单独控制每一块电池的充电限制电压和放电截止电压，衰减电池极容易进入极端状态而受损，同时对其它电池又产生连锁反应，影响其它电池的正常充放电工作。

这种影响是非线性的，几乎呈指数式加速状态，一旦有一块电池受损（实验发现，一次严重的过放电即可造成锂电池的严重衰减甚至永久报废），整组电池的容量、性能迅速加速下降。某电池一旦发生衰减，其实际充放电倍率将是组内最高的，这又进一步加剧其衰减速度，充电时快速进入过充电状态，放电时又快速进入过放电状态。

如此连续几个充放电循环后，衰减电池的容量将急剧下降，内阻急剧上升，内阻引起的内部损耗增大，对整个电池组的负面影响是非常明显的，导致有效放电时间迅速缩短，有效放电容量迅速下降（充电容量也随之下降），输出功率下降，因此，电池组的衰减速度远远高于单电池供电设备的电池衰减速度。

3、防范电池组快速衰减的最有效方法

根据前面的分析可知，电池组严重衰减后的表现主要有以下几种：一是充放电容量变化；二是充放电时间变化；三是带负载能力变化。无论是哪种变化，衰减电池都会通过端电压表现出来，在充放电的情况下，衰减严重的电池与正常电池或衰减轻微电池间的电压差异表现明显，这种差异的表现，实质就是容量差异以及内阻差异的外在表现，体现的是电池的一致性差异，防范电池组快速衰减就必须解决电池电压的一致性问题，防止电池发生过充电和过放电极端。基于目前的电池管理技术，只有转移式实时电池均衡技术才能实现这一目标。

4、实例及分析（本文以国家专利技术[1,2 ]样机在不同电池组中的应用实例及数据分析进行进一步阐述）。

4.1 锂电池组均衡实验数据及分析

实验电池组为衰减4串锂电池组，各单元电池经1A放电测量，实际剩余容量分别为1#:1.40Ah，2#:0.61Ah，3#:1.78Ah，4#:1.62Ah。整组充电标准为恒流限压充电，恒流充电电流为1A，限压16.8V，当任意电池的电压充电至4.20V时，整组电池停止充电；放电标准为1A恒流放电，整组电池放电终止电压限定为12.0V，当任意电池的电压放电至2.95V时，整组电池停止放电，循环均衡充放电次数50次。

为使实验更具有对比性，先进行标准放电，即不使用电池均衡器样机，充放电标准同上，实测放电时间为36.5分钟，计算放电容量为0.61Ah，等于2#电池的容量，即2#电池的容量代表整个电池组容量，完全符合木桶短板理论。此时，其它3块电池虽然还有较多电量，但无法释放出来，容量浪费严重。

接下来，对电池组接入本文所述电池均衡器样机进行充放电，如图1所示，电池组下方的设备为本文锂电池均衡器样机。

图1 处于放电均衡状态的锂电池组

    

在连续进行50次均衡充放电期间，平均放电时间约77分钟，平均放电容量约1.30Ah，接近于4块电池的平均容量（1.35Ah），但远高于标准放电模式下的0.61Ah。

虽然2#电池的容量最小，但通过本文电池均衡器的介入，在充放电全程未发生过充电或过放电的情况，最高电压4.22V，最低电压2.98V，均为安全电压，均优于锂电池的充电限制电压4.25V和放电截止电压2.75V，完全实现安全充放电，其它3块电池容量也都得到了合理利用，几乎没有剩余，无论是实际放电时间，还是实际放电容量都远远高于常规放电数据，真正实现了不同容量的高效、合理利用。

本实验电池组的一致性问题非常严重，最高与最低容量差异接近3倍，在没有本文电池均衡器情况下，2#电池由于容量最小，能够充入的电量也最少，最先充满电，如果没有安全充电控制，随后就会进入过充电状态，使电池受损；放电时，其可放出的电量也最少，最先放完电，如果没有安全放电控制，随后就会进入过放电状态，使电池进一步受损，反复充放电后，2#电池的容量将快速衰减。

2#电池在容量严重衰减的情况下，还会半生另一个严重问题，那就是内阻快速上升。对于蓄电池来说，内阻越小越好，内阻的存在会使电池在大电流充电或放电时温度快速升高，温升对于蓄电池副作用很大，特别是过高的温升不仅加速电池的衰减，严重影响和缩短蓄电池的使用寿命，严重的还会引发热失控故障。在本电池组中，标准充放电情况下，2#电池的温升始终处于最高，进一步加速2#电池的衰减。

而在均衡器介入下，通过均衡器的高效分流功能，2#电池的实际充放电流显著下降，电压上升和下降速度实现了与其它3块电池同步，电压差非常小，内阻导致的发热量显著下降，实测最高温升低于其它3块电池，温升引起的衰减被有效控制，有效降低了2#电池的衰减速度。

4.2 24串单体2V170Ah铅酸蓄电池组均衡实验数据及分析

实验电池组如图2所示，这是一组用户返厂待检修的电池组，上方的白色装置为本文电池均衡器样机模块，客户反映实际放电时间非常短，带负载后电压下降速度非常快，充电时很快就显示充满电，电池组不耐用。

图2 处于均衡放电状态的24串铅酸蓄电池组

实测正常充满电后，在0.1C（17A）放电倍率的情况下，实际放电时间不足30分钟，2#电池就放电完毕并快速进入过放电状态，温升也明显偏高，随后又有几块电池电压急速下降，结束放电。接下来，接入本文2V铅酸蓄电池均衡器专利样机模块，在均衡器的全程介入和自动干预下进行电池组的均衡充放电对照实验，标准同样为当任意电池的电压下降至1.80V时停止放电，首次均衡放电时间长达1.5小时，是标准放电时间的3倍，放电容量25.5Ah，是标准放电容量的3倍。

此时，2#电池仍在安全电压值以内，温升很低，与其它电池温升相似，首次标准放电中电压偏低的几块电池电压也始终处于安全值以内。在接下来的连续7个循环均衡充放电实验中，均衡放电时间逐渐延长至2.8小时左右并处于相对稳定状态，后经连续均衡充放电实验，放电时间基本都稳定在2.6-3.0小时之间，达到标准放电时间的5倍之多，实测组中衰减电池的最小放电电流与性能最好电池的最大放电电流的差值达到10A以上，衰减电池的实际放电电流几乎处于最小值，有效地保护了衰减电池。

5、有效放电容量和放电时间延长的外部机理

从上面两例对比实验来看，使用本文电池均衡器后，各电池容量得到最大化利用，电池组的安全放电容量和放电时间明显延长，衰减电池的温升显著下降，控制衰减电池过充电和过放电效果显著，下面对这一显著变化的机理进行简要阐述。

这种电池均衡技术，采用相对电压差控制技术和电能转移技术进行电池均衡，通过实时对相邻电池的电压进行均衡实现整组电池的电压均衡和电量均衡[3]，特别是其特有的双向同步整流技术[4]能大幅度提高均衡电流和均衡效率，降低衰减电池的温升，基于其均衡原理，适用于电池组运行的全过程，包括充电、放电以及静止期。

例如，放电期间，自动识别大容量电池并对大容量电池增大放电电流，增大放电倍率，增大的放电电流通过均衡器转换为衰减电池提供一个叠加电流，弥补小容量电池放电能力的不足。同时自动减小小容量电池的放电电流和放电倍率，不足电流由大容量电池通过电池均衡器提供，最终实现所有不同容量电池电压同步下降，如果电池容量差异不是非常大，并且均衡电流足够大，均衡效率足够高，则所有电池均可同时放完电，电池容量得到充分利用。放电均衡原理如图3所示。

图3  2串电池均衡放电原理示意图

同样充电时，系统根据电池的相对电压特征自动识别电池容量大小，对小容量电池自动降低充电电流，降低其充电倍率和电压上升速度及温升。相反，对容量较大的电池自动增大充电电流，增大充电倍率和电压上升速度，实现所有不同容量电池电压同步上升，如果电池容量差异不是非常大并且均衡电流足够大，均衡效率足够高，则所有电池均可实现等倍率充电，同时充满电。

电池组静止期间，均衡器通过调节不同电池间的电量进行电压均衡，实现所有不同容量电池的电压基本一致。

6、展望

本文通过两组衰减电池的均衡对照实例展现了高效电池均衡技术对衰减电池组的容量和衰减电池温升影响，在锂电池组均衡充放电中，样机的最大均衡电流大于电池组的最大充放电电流，均衡充分，不同电池的容量得到完全发挥，衰减电池的温升控制理想；在大容量铅酸电池组中，受实验样机最大均衡电流的限制，还有部分电池的电量没有得到正常释放和利用，如果采用更大均衡电流的样机，则有效放电时间和放电容量还可以延长。

进一步的研究和大量科学实验数据发现，转移式实时电池均衡器介入得越早，对控制电池衰减的作用越明显，这一结果表明，电池成组时就装配上转移式实时电池均衡器不仅更有利于延长电池组的使用寿命，而且大幅度降低对均衡电流的指标要求，特别适合大容量储能、动力电池组以及梯次电池的规模利用。

参考文献

[1]周宝林,周全：一种具有同步整流功能的转移式实时电池均衡器

[2]周宝林,周全：2V铅酸蓄电池池均衡器.

[3]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

[4]周宝林,周全：双向同步整流技术在转移式实时电池均衡器中的研究与应用

 

 

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