通过电池均衡提高铅酸蓄电池组寿命

在 文 献［５］中 ， 一 组 电 池 加 装 均 衡 器 采 用 主 动 均 衡 ， 充 放 电 过 程 中 保 持 电 池 之 间 的 电 压 差 在 １０ ｍＶ 之 内 ， 浮 充 电 压 采 用 每 只 电 池 ２．３０ Ｖ。 另 一 组 电 池 采 用 提 高 充 电 电 压 的 被 动 均 衡 ， 最 高 充 电 电 压 为 每 只 电 池 ２．４５ Ｖ。 实 验 结 果 显 示 ， ６ 个 循 环 后 被 动 均 衡 的 电 池 电 压 差 已 超 过 １０ ｍＶ。 通 过 实 验 其 间 对 电池失水量的测量， 主动均衡电池的失水量只是被动均衡电 池 失 水 量 的 ４０％ ， 单 从 失 水 的 比 较 电 池 循 环 寿 命 可 提 高 ６６％。
电池一般都是将多个电池串联成组后使用， 即使成组前 经过筛选电池的一致性较好， 经过一段时间的使用后也会出 现 差 异 。对 铅 酸 蓄 电 池 均 衡 的 传 统 做 法 是 提 高 充 电 电 压， 通 过 过 充 电 的 方 法 使 电 池 达 到 均 衡［２］。对 铅 酸 蓄 电 池 的 传 统 应 用 ， 如 ＵＰＳ 电 源 、电 力 操 作 电 源 ， 这 种 均 衡 方 法 还 可 以 接 受 ， 一 般 能保证 ３～５ ａ 的寿命。随着电动汽车 的 发 展 ， 车 用 蓄 电 池 需 要频繁充放电， 放电电流和放电深度较传统应用都有较大提 高， 电池组不做均衡或采用传统的均衡方法已经不能满足需 要， 电 池 的 循 环 寿 命 与 额 定 寿 命 相 差 很 大 。这 些 问 题 使 得 人 们 更 广 泛 地 关 注 电 池 均 衡 问 题 ， 如 文 献［３］中 指 出“： 串 联 电 池 组 电池不均衡也许是最严重的问题” 本文讨论下列一些问题： 很多均衡方法都是电压均衡。实际上电池均衡体现在电池荷 电 态（ ＳＯＣ） 的 均 衡 ， 电 压 均 衡 是 否 意 味 着 荷 电 态（ ＳＯＣ） 均 衡？ 实用化的均衡电压精度应该多高？ 电池均衡能带来哪些益
２ 电池均衡的益处
可充电电池的循环寿命一般能达到几百次甚至几千次， 但串联电池组很难达到这个水平。单只电池和电池组的唯一 区别就是电池组中电池的充电电压不一致。很多文献指明充 电 不 均 衡 是 电 池 失 效 的 主 要 机 理 。 ［１，３，６］ 从 原 理 上 讲 ， 理 想 的 均 衡过程可以保证串联电池组与单只电池具有相同的性能。在 文 献［５］的 试 验 中 ， 几 组 由 １２ Ｖ 铅 酸 蓄 电 池 组 成 的 电 池 组 不 加 均 衡 进 行 循 环 寿 命 试 验 ， 电 池 的 额 定 循 环 寿 命 应 高 于 ４００ 次 ， 但 电 池 组 的 循 环 寿 命 只 能 达 到 ２５～３０ 次 。
（４）当 电 池 组 中 某 只 电 池 损 坏 后 ， 只 须 将 该 只 电 池 更 换 ， 而 不 须 整 组 更 换 ， 可 节 约 许 多 费 用 。均 衡 器 将 使 新 旧 电 池 电 压 保持一致， 正常工作。
３ 电池均衡是否能提高电池寿命
以上讨论了加装均衡器后电池组的循环寿命可以达到电 池的额定寿命， 果真如此吗？ 下面的几个独立实验证明了这一 结果。
采 用 专 用 的 均 衡 电 路 进 行 电 池 均 衡 我 们 称 为“ 主 动 均 衡 ”。 主 动 均 衡 可 以 给 电 池 组 带 来 以 下 益 处［２，５］：
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２００６．７ Ｖ ｏｌ．３０ Ｎ ｏ．７
研究与设计
图 ７ 主动均衡电池电压与标准电压的偏离［９］ Ｆｉｇ．７ Ｓ ｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆｃｅｌｌｖｏｌｔａｇｅｓ ｕｎｄｅｒ ａｃｔｉｖｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ
电压充电， 充电后期电流逐渐下降， 当充电电流不再下降时完 成 均 衡 充 电 ， 转 浮 充 电 。我 们 称 这 种 均 衡 方 式 为“ 被 动 均 衡 ”。 这种均衡方法的代价就是电压高的电池会失水， 周期性均衡 对电池造成损害， 使电池容量下降， 甚至造成电池热失控。
上 述“ 被 动 均 衡 ”的 方 式 对 单 体 ６ Ｖ 或 单 体 １２ Ｖ 电 池 是 有 效 的［５］， 但 对 于 电 池 组 来 说 ， 实 际 效 果 并 不 理 想 。图 ４～图 ７ 对 两 组 由 六 只 １２ Ｖ 电 池 组 成 的 ７２ Ｖ 电 池 组 进 行 了 比 较 。 图 ４ 显示被动均衡时各单只电池电压， 均衡相当缓慢， 并且效 果不明显。图 ５ 显示主动均衡时电池单体电压， 很快达到均 衡。图 ６ 和图 ７ 显示两组电池中六个单体电池与标准电压值 的 电 压 差 。可 以 看 出， 被 动 均 衡 ６０ ｈ 后 电 压 差 开 始 下 降 ， 但 并 没有真正使电压均衡。
铅酸蓄电池传统的均衡方法是过充电， 采用较高的均衡
图 ５ ７２ Ｖ 电池组主动均衡充电曲线［９］ Ｆｉｇ．５ ７２ Ｖ ｂａｔｔｅｒｙ ｓｔｒｉｎｇ ｃｈａｒｇｅｄ ｕｎｄｅｒ ａｃｔｉｖｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ
图 ６ 被动均衡电池电压与标准电压的偏离［９］ Ｆｉｇ．６ Ｓ ｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆｃｅｌｌｖｏｌｔａｇｅｓ ｕｎｄｅｒ ｐａｓｓｉｖｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ
收稿日期：２ ０ ０ ６ － ０ ３ － ０ １ 作者简介：冉建国（ １９６４—），男，河北省人，工程师，硕士，主要研 究方向为动力电池及其管理系统。 Ｂ ｉｏｇｒａｐｈｙ：Ｒ Ａ Ｎ Ｊｉａｎ－ｇｕｏ （１９６４—）， ｍ ａｌｅ， ｅｎｇｉｎｅｅｒ．
处？ 均衡能提高电池组的寿命吗？ 有哪几种均衡方法？ 最后介 绍我们目前所做的一些工作。
Ｌｉｆｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｂａｔｔｅｒｙ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｅａｄ－ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ
ＲＡＮ Ｊｉａｎ－ｇｕｏ， ＣＨＥＮ Ｓｈｅｎｇ－ｊｕｎ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉｎｅｎｇｗｅｉｙｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８８，Ｃｈｉｎａ）
（１）各 个 单 电 池 电 压 都 均 衡 的 电 池 组 其 性 能 和 寿 命 与 单 个电池类似， 不会有大的差异；
（２）可以摆脱由 于 电 池 不 均 衡 造 成 的 电 池 失 效， 常 见 的 是 某些电池长期处于欠充状态下极板硫化失效；
（３）加 主 动 均 衡 的 电 池 组 不 再 需 要 被 动 均 衡 的 高 压 过 充 电， 可降低最高充电电压， 这样可以使电池失水更少， 延长电 池寿命， 并且大大降低电池热失控的可能性；
通过上述静态和动态分析， 可以得出结论： 电压均衡对铅 酸 蓄 电 池 的 ＳＯＣ 均 衡 很 有 效 ， 电 池 之 间 的 电 压 差 应 保 持 在 １０ ｍＶ 或 更 低 ［６］， 通 过 均 衡 可 以 提 高 电 池 的 使 用 寿 命 。 实 际 上 ， 电 池 均 衡 对 锂 电 池 具 有 相 同 的 效 果［７，８］。
１ 电压均衡
电 池 的 均 衡 过 程 实 际 上 是 电 池 荷 电 态（ ＳＯＣ） 的 均 衡 ， 也 就 是 同 组 电 池 的 充 电 容 量 百 分 比 相 同 。图 １ 是 电 池 ＳＯＣ 与 电 池 电 压 的 关 系 曲 线［４］， 电 池 电 压 是 静 电 ３０ ｍｉｎ 后 的 开 路 电 压 ， 从 图 中 可 以 看 出 两 者 之 间 有 非 常 好 的 线 性 关 系 。ＳＯＣ 从 ０ 到 １００％， 电 压 变 化 了 ０．２ Ｖ， 即 ２ ｍＶ 对 应 １％ ＳＯＣ。从 图 中 可 以 得 出 两 点 结 论 ： （１） 电 压 值 可 以 准 确 表 示 ＳＯＣ 值 ； （２） 电 池 之 间 的 电 压 差 在 １０ ｍＶ 时 ＳＯＣ 差 异 在 ５％左 右 。
图 ２ 电池电压差对比试验［５］ Ｆｉｇ．２ Ｃ ｅｌｌｖｏｌｔａｇｅ ｇｒａｄｉｅｎｔｆｏｒ ｃｏｍ ｐａｒｉｓｏｎ ｔｅｓｔ
图 ４ ７２ Ｖ 电池组被动均衡充电曲线［９］ Ｆｉｇ．４ ７２ Ｖ ｂａｔｔｅｒｙ ｓｔｒｉｎｇ ｃｈａｒｇｅｄ ｕｎｄｅｒ ｐａｓｓｉｖｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ
图 ３ 电池容量与循环次数对比试验［５］ Ｆｉｇ．３ Ｃ ｅｌｌｃａｐａｃｉｔｙ ｖｓ．ｃｙｃｌｅ ｎｕｍ ｂｅｒ ｆｏｒ ｃｏｍ ｐａｒｉｓｏｎ ｔｅｓｔ
研究与设计
通过电池均衡提高铅酸蓄电池组寿命
Hale Waihona Puke 冉建国， 陈胜军 （ 北 京 集 能 伟 业 电 子 科 技 有 限 公 司， 北 京 １０００８８）
摘要：探讨了电池均衡对铅酸蓄电池的性能影响。通过以前的研究成果可以看出：有效的均衡过程要求 １０ ｍ Ｖ 的均衡 精度，达到这种精度的电池均衡确实能延长电池组的寿命。主动均衡可以加速均衡过程，而传统的过充电的被动均衡 非常缓慢。与其他方法比较，主动均衡很明显地延长了电池寿命。回顾了常用的几种均衡方法并简单介绍了目前的工 作。 关键词：电池均衡；铅酸蓄电池；电动车辆 中图分类号：ＴＭ ９１２．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－０８７ Ｘ （２００６）０７－０５７６－０４
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ，ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｘｔｏｆ ｌｅａｄ－ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ．Ａ ｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ｐｒｉｏｒ ｗ ｏｒｋ， ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ １０ ｍ Ｖ ／ｃｅｌｌ ｉｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｆｏｒ ａ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｐｒｏｃｅｓｓ．Ｅ ｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｔｈａｔｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｄｏ ｉｎｄｅｅｄ ｅｘｔｅｎｄ ｔｈｅ ｌｉｆｅ ｏｆｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋｓ． Ａ ｃｔｉｖｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｐ ａｓｓｉｖｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ （ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｏｖｅｒｃｈａｒｇｅ） ｉｓ ｔｏｏ ｓｌｏｗ ． Ａ ｃｔｉｖｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｃｌｅａｒ ｌｉｆｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ．Ｓ ｅｖｅｒａｌ ｃｅｌｌ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍ ｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ ｗ ｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗ ｅｄ． Ｋ ｅｙ ｗ ｏｒｄｓ：ｂａｔｔｅｒｙ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｌｅａｄ－ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ