一、梯次利用的必要性

鋰電池使用量最大的設(shè)備是電動(dòng)汽車，隨著第一批電動(dòng)汽車使用年限的逐漸到來，大量車用鋰電池組面臨退役和報(bào)廢處理，數(shù)量以萬噸為單位，如此龐大數(shù)量的鋰電池，直接按報(bào)廢程序和流程處理顯然是不合適的。

這是因?yàn)橥艘刍驁?bào)廢電池組中并非所有電池都處于報(bào)廢狀態(tài)，由于不一致性原因，通常只是個(gè)別單元的電池報(bào)廢，組內(nèi)的很多電池還處于良好的生命周期內(nèi)，仍有較高的梯次利用價(jià)值，可以通過合適的梯次利用方案繼續(xù)發(fā)揮余熱。

近些年來，電池組梯次利用的呼聲與研討一直在持續(xù)，這種聲音，是積極的、正面的，是環(huán)保意識(shí)、資源再利用意識(shí)得到進(jìn)一步增強(qiáng)的體現(xiàn)，一些企業(yè)已經(jīng)開展了這方面的嘗試。

二、梯次利用的現(xiàn)狀

理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很殘酷，是退役電池組梯次利用的真實(shí)寫照。為了延長(zhǎng)退役電池的使用壽命和剩余價(jià)值，國(guó)家、政府鼓勵(lì)企業(yè)和社會(huì)力量開展對(duì)大量退役電池進(jìn)行梯次利用，減少報(bào)廢電池?cái)?shù)量、減少環(huán)境污染，然而梯次電池的利用現(xiàn)實(shí)卻非常殘酷，特別是其安全問題。

由于電池組的一致性問題在全世界都是一個(gè)技術(shù)難題，尚沒有高效、徹底和經(jīng)濟(jì)的解決方案和技術(shù)，使得梯次利用電池組的運(yùn)行安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原電池組，并且梯次利用的安全、循環(huán)壽命和再利用價(jià)值無法得到保證。所以，電池組梯次利用在具體應(yīng)用層面和市場(chǎng)反應(yīng)遠(yuǎn)不如預(yù)期的好。下面通過幾個(gè)案例進(jìn)行進(jìn)一步說明。

據(jù)報(bào)道，自2018年5月以來，韓國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)生23起嚴(yán)重火災(zāi)。2019年6月11日，韓國(guó)政府正式公布調(diào)查結(jié)果，所有23起儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)事故中有14起在充電后發(fā)生，6起發(fā)生在充放電過程中，3件是在安裝和施工途中發(fā)生火災(zāi)。從火災(zāi)事故起數(shù)可以看出，因電池充放電原因發(fā)生的事故數(shù)量和比例占了絕大多數(shù)，可見電池安全管理在電池組的安全運(yùn)行中是多么的重要。

根據(jù)官方機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)新能源汽車起火事件至少發(fā)生40起。而今年以來，新能源汽車起火事件依然頻發(fā)，在4月21日至4月24日的四天時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)生三起起火事故。與此同時(shí)新能源整車召回事件也頻發(fā)，其中因電池安全而引起的召回較2018年明顯增多。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，電池安全是新能源汽車起火最關(guān)鍵的因素，電池安全管理缺陷，特別是一致性管理難題會(huì)導(dǎo)致車輛在使用過程中可能發(fā)生電池包內(nèi)部過熱的現(xiàn)象，存在熱失控起火的安全隱患，是需要重點(diǎn)攻克和解決的難題、課題。

鋰電池雖然具有其它二次電池所不具有的優(yōu)勢(shì)，比如能量密度大，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，但其弱點(diǎn)也非常明顯，特別是對(duì)充放電電流和電壓非常敏感，耐過充和過放能力非常差，既不允許過充，也不允許過放，否則會(huì)對(duì)鋰電池的容量、性能、使用壽命造成不可恢復(fù)的損傷，因此單鋰電池（包括多塊鋰電池并聯(lián)）模塊通常都配備獨(dú)立的鋰電池保護(hù)板，防止鋰電池在使用期間發(fā)生過充電或過放電故障，但這種保護(hù)方式不適合串聯(lián)鋰電池組。

大量的研究和試驗(yàn)表明，要解決鋰電池組的安全運(yùn)行問題，必須解決鋰電池的一致性及其引發(fā)的“熱失控”管理問題，而解決一致性問題的關(guān)鍵技術(shù)則是電池均衡技術(shù)，因此，研發(fā)高效的電池均衡技術(shù)是當(dāng)前及今后一段時(shí)間內(nèi)需要重點(diǎn)攻關(guān)的課題，是保障電池組安全運(yùn)行的核心技術(shù)。

三、電池均衡技術(shù)難點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外在高功率、大容量電池梯次利用方面，主要應(yīng)用在儲(chǔ)能電站，用于調(diào)峰，其次是用于通訊基站，逐漸取代傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池。為了獲得需要的電壓和功率，儲(chǔ)能電池組的鋰電池全部采用多并多串的方式，容量更大，串?dāng)?shù)更多，安全管理難度更大，因此對(duì)電池均衡的要求也更高，特別是在均衡電流和均衡效率方面，需要解決快速均衡的問題。

鋰電池組的使用過程包括充電期、充電結(jié)束后的恢復(fù)期、靜止期、放電期、放電結(jié)束后的恢復(fù)期、靜止期、再充電，反復(fù)循環(huán)，如圖1所示，其中影響電池使用壽命的最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)是充電和放電，也是最容易引發(fā)電池“熱失控”事故的階段。

充電期最容易發(fā)生的問題是過充電，通常并不是每一個(gè)單元電池都被過充電，而是組內(nèi)容量最小的電池極易被過充電，并且是長(zhǎng)時(shí)間被過充電，大部分電池的電壓通常都處于正常電壓區(qū)間，特別是到了充電末期，電壓差異非常明顯；放電期最容易發(fā)生的問題是過放電。

同樣，通常也不是每一個(gè)單元電池都被過放電，而是組內(nèi)容量最小的電池極易被過放電，大部分電池的電壓通常都處于正常電壓區(qū)間，特別是到了放電末期，電壓差異非常明顯；而在其它期間不再發(fā)生充放電行為，小容量電池與其它電池的電壓差異通常并不十分明顯，通過電壓識(shí)別容易造成誤判。這里我們發(fā)現(xiàn)，容量最小的電池既容易被過充電，又容易被過放電，兩種狀態(tài)都加速其衰減，需要重點(diǎn)解決小容量電池被過充電和被過放電的問題。

鋰電池的容量衰減有一個(gè)漸進(jìn)和積累的過程，如果從電池組啟用后就通過電池均衡功能介入和干預(yù)。那么，鋰電池因外界因素造成衰減差異速度就會(huì)降低，通過外部均衡硬件的主動(dòng)控制和干預(yù)將所有電池的衰減速度差異控制在相同區(qū)間，即等速度或等速率衰減，就可以最大限度地提高整個(gè)電池組的循環(huán)使用壽命，這就需要通過電池均衡技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

通過電池使用期間示意圖不難發(fā)現(xiàn)，充電期和放電期只是其中的兩個(gè)環(huán)節(jié)。因此，僅僅依靠充電期和放電期來實(shí)現(xiàn)電池組的均衡并不是最理想的方案，即使能夠?qū)崿F(xiàn)，對(duì)電池均衡器的性能要求必然非常高，隨之帶來的是高成本，難以普及。

通過電池組的實(shí)際使用情況來看，按照時(shí)間比例，充電期和放電期的累計(jì)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于恢復(fù)期和靜止期的時(shí)間和。因此，多利用電池組的恢復(fù)期和靜止期進(jìn)行電池均衡，可以快速縮短衰減電池和正常電池之間的差異，所以，從實(shí)用的角度出發(fā)，實(shí)用的電池均衡技術(shù)最好要支持靜態(tài)均衡，只有支持靜態(tài)均衡，才能降低充電期和放電期的均衡壓力，才能更好地提高電池組的充電均衡和放電均衡效率。

需要注意的是，靜態(tài)均衡的啟動(dòng)條件是電壓差大于均衡設(shè)備的設(shè)定基準(zhǔn)電壓差，直至平衡，為了防止均衡器一直無休止地進(jìn)行靜態(tài)均衡，需要均衡器支持均衡結(jié)束進(jìn)入休眠或者微功耗檢測(cè)狀態(tài)功能，減少不必要的電能損耗。

目前，電池PACK包模塊化的趨勢(shì)越來越明顯，通過電池PACK包可以構(gòu)成更大容量和功率的大電池PACK組，盡管PACK包內(nèi)安裝了鋰電池保護(hù)板，但電池包的循環(huán)使用壽命短的問題卻幾乎沒有改觀，安全事故依然頻出，根源都是因?yàn)橐恢滦詥栴}沒能得到解決造成的，可見對(duì)電池包內(nèi)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)高速均衡的需求是非常迫切的。

在電池組發(fā)生一致性問題的情況下，電壓差異特征的表現(xiàn)最為明顯，也是電池組一致性檢測(cè)的常用和關(guān)鍵量化指標(biāo)，從電壓檢測(cè)、均衡控制和設(shè)備成本控制的角度出發(fā)，通過控制電壓的方式進(jìn)行均衡是最經(jīng)濟(jì)、最有效和最容易實(shí)現(xiàn)的方案，為廣大研發(fā)人員采用。

基于此，電池均衡技術(shù)主要有三種類型，分別是電阻耗能式均衡、充電均衡和轉(zhuǎn)移式電池均衡，其中電阻耗能式均衡是典型的的被動(dòng)均衡，類外兩種為主動(dòng)均衡。開發(fā)成本和均衡效率方面由低至高的順序?yàn)椋弘娮韬哪苁骄猓汲潆娋猓嫁D(zhuǎn)移式電池均衡。

充電均衡其實(shí)是一種過渡的電池均衡技術(shù)，主要解決了電阻耗能式均衡的均衡電流小、發(fā)熱嚴(yán)重的問題，而轉(zhuǎn)移式電池均衡才是真正意義上的實(shí)用的電池均衡技術(shù)，是電池均衡技術(shù)的未來發(fā)展方向，三種電池均衡技術(shù)的主要性能差異詳見表1。

通過對(duì)照可以發(fā)現(xiàn)，雖然轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)具有性能優(yōu)勢(shì)，但其弱點(diǎn)也很多，例如成本高、技術(shù)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度大，都是目前研發(fā)需要面對(duì)的難題，需要通過廣大科技工作者的不懈努力進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)來解決。

四、實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)的研發(fā)難點(diǎn)

基于實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)的研發(fā)難度之大，市場(chǎng)上這種電池均衡器的研發(fā)進(jìn)展非常緩慢，掌握這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)非常少，特別是高效的轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)，從市場(chǎng)上的相應(yīng)產(chǎn)品的銷售、普及情況就可以證明，只存在少數(shù)幾種電池均衡器在銷售中，但因成本原因，銷售并不理想。

在很多人眼里，轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)幾乎是一項(xiàng)不可能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，事實(shí)上，它的研發(fā)難度超乎很多人的想象，需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)非常多，往往是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)攻克了又出現(xiàn)了新的技術(shù)難點(diǎn)，而且有些技術(shù)難點(diǎn)之間又相互牽制和干擾，想要找到一種滿足多個(gè)指標(biāo)要求的技術(shù)方案都需要進(jìn)行大量的計(jì)算和試驗(yàn)，確定設(shè)計(jì)方案是非常困難的。

甚至是，一個(gè)太正常不過的參數(shù)調(diào)整都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)紊亂、工作異常，社會(huì)上很多當(dāng)初信心滿滿的研發(fā)機(jī)構(gòu)、團(tuán)體和企業(yè)大多都是因?yàn)檠邪l(fā)難度過大、研發(fā)周期長(zhǎng)、設(shè)備成本過高，在投入大量研發(fā)資金無果后選擇了放棄研發(fā)。

真正實(shí)用的電池均衡應(yīng)具有成本適中、電能轉(zhuǎn)換效率高、均衡速度快、電壓控制精度高、實(shí)時(shí)均衡的特點(diǎn)，這些特有的指標(biāo)要求，實(shí)際上在成本控制與性能要求之間形成了矛盾，必須通過經(jīng)濟(jì)、合理的軟硬件設(shè)計(jì)來解決。

五、實(shí)例與分析

為了實(shí)現(xiàn)上述均衡目標(biāo)，作者歷時(shí)多年開發(fā)出高效實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)，成功解決了成本與性能之間的矛盾問題，已在各種一致性嚴(yán)重失衡鋰電池組上開展并完成均衡應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過在多達(dá)13串18650型號(hào)梯次利用鋰電池組上的連續(xù)充放電均衡實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到預(yù)期要求。

實(shí)驗(yàn)期間，最小容量電池未發(fā)生過充和過放問題、所有電池容量都得到最大化利用，在整組表現(xiàn)上，無論是充電容量還是放電容量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過組內(nèi)最差電池的容量，全過程中，所有電池的電壓都處于安全值以內(nèi)，特別是在充放電的末期，電壓差始終非常小，所有電池的溫升都在合理區(qū)間，最差電池的溫升反而是最低的，這種溫升的表現(xiàn)對(duì)于控制“熱失控”是非常有利的。

本文以13串18650型號(hào)梯次利用鋰電池組的標(biāo)準(zhǔn)放電和均衡放電為例進(jìn)行對(duì)比和闡述，13塊鋰電池的實(shí)際容量相差懸殊、內(nèi)阻各異，放電標(biāo)準(zhǔn)為1A恒流放電，當(dāng)總電壓放電至39.0V或任意電池的放電電壓降至3.0V時(shí)停止放電。為確保對(duì)比放電公平，每次放電前，每一塊電池都通過均衡充電模式充電至相同的電壓。

在常規(guī)放電模式下，有效安全放電時(shí)間35分鐘，10#電池就到達(dá)放電終止電壓3.0V，如圖2所示，其它電池的電壓普遍較高，電壓的一致性表現(xiàn)得非常差，最大電壓差達(dá)到0.581V，非常嚴(yán)重，放電總電壓仍高達(dá)44.876V，遠(yuǎn)高于規(guī)定的39.0V，平均電壓高達(dá)3.452V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均放電截止電壓，從剩余平均電壓來看，還有較多電能沒有得到利用，閑置了很多容量，容量利用率較低，浪費(fèi)嚴(yán)重；

而當(dāng)全程使用高效電池均衡器的情況下，在相同的放電標(biāo)準(zhǔn)情況下，有效安全放電時(shí)間延長(zhǎng)至58分鐘，是標(biāo)準(zhǔn)放電容量和時(shí)間的1.66倍，此時(shí)，10#電池的電壓仍高達(dá)3.0V以上，如圖3所示，其它電池的放電電壓也都接近于3.0V，電壓的一致性表現(xiàn)的非常好，最大電壓差只有70mv，基本正常，放電總電壓39.377V，接近39.0V，平均電壓只有3.029V，非常接近平均放電截止電壓3.0V，有效電量基本都釋放完畢。10#電池的電壓之所以不是最低，與實(shí)驗(yàn)用梯次電池具有不同放電曲線有關(guān)，最重要的是高效電池均衡器的介入，對(duì)其它電池電量進(jìn)行了充分的調(diào)整和再分配，電池的電能得到充分利用。

為便于對(duì)比，制作了兩種放電模式下結(jié)束時(shí)刻電壓對(duì)照表，見表2，及兩種放電模式下結(jié)束時(shí)刻電壓一致性對(duì)照?qǐng)D，如圖4所示。本文所使用的高效電池均衡器支持BMS聯(lián)控，可按需啟動(dòng)和關(guān)閉均衡功能，既可以獨(dú)立控制某個(gè)單元，也可以控制整個(gè)均衡器組。

兩種放電模式模式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，充分說明了均衡放電的作用和效果是非常明顯的。均衡放電不僅僅實(shí)現(xiàn)了不同容量電池電壓的同步下降，防止小容量電池發(fā)生過放電、預(yù)防熱失控故障發(fā)生，提高電池組的循環(huán)使用壽命，更重要的是實(shí)現(xiàn)了差異電池容量的安全、充分利用，提高電池組的平均容量利用率，穩(wěn)定續(xù)航時(shí)間。

本文所述轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器高效支持靜態(tài)均衡和充電均衡，限于篇幅，相應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)抓圖及相關(guān)數(shù)據(jù)分析略。

六、結(jié)束語

鋰電池梯次利用所遇到的問題，不僅限于配組時(shí)一致性較難控制的退役電池組的梯次利用，也包括配組時(shí)一致性較好的標(biāo)準(zhǔn)電池組。鋰電池梯次利用，最需要注意和解決的是電池組的運(yùn)行安全問題，沒有了安全這個(gè)前提，梯次利用無從談起。

而對(duì)安全威脅最大的是一致性問題及其引發(fā)的“熱失控”，有效的電池均衡技術(shù)是目前唯一的選擇，而轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)性能最好，但它仍無法消滅電池的衰減，只是將不同差異電池的衰減速度進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)節(jié)，使之具有近似相同的衰減速率，同步衰減，通過高效均衡管理實(shí)現(xiàn)電池組的長(zhǎng)壽命安全運(yùn)行。