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行业新闻

松下电池均衡器技术在梯次储能蓄电池中的应用

作者:松下 时间:2019-02-21 12:49
1 梯次松下蓄电池与选用
  
  梯次蓄电池是指已经使用过并且达到原生设计寿命,通过其他方法使其容量全部或部分恢复继续使用的蓄蓄电池。
  
  一般使用5年后的蓄电池,它的有效容量在80%左右。蓄电池的自然衰减进入平稳期,完全可以按照小容量蓄电池使用,通过一定数量松下蓄电池的并联使用,可利用容量获得数倍的提高,完全满足储能和动力需要,这一点与电动汽车为了增加续航里程,采用大量并联蓄电池增加蓄电池容量的道理是相同的。
  
  蓄电池组在使用5年后,可用容量和续航时间明显缩短,用户和经销商通常整体更换,殊不知,并不是一个蓄电池组内的所有蓄电池都需要更换,只是其中的一块或几块蓄电池容量严重衰减影响了整个蓄电池组,如果有多个这样的蓄电池组,通过检测剔除严重衰减的蓄电池,其它蓄电池通过分容和内阻检测,完全可以重新梯次利用。动力蓄电池的梯次利用明显延长蓄电池的使用效率和生命周期,减少蓄电池所带来的环境污染,被誉为是目前和今后的重点发展对象。
  
  动力蓄电池再利用是动力蓄电池产业链形成闭环的关键环节,在环境保护、资源回收和提高动力蓄电池全寿命周期价值等方面都具有重要价值。退役后的动力蓄电池经过测试、筛选、重组等环节,仍然有能力用于低速电动车、备用电源、电力储能等运行工况相对良好、对蓄电池性能要求较低的领域。
  
  随着新能源汽车推广应用力度的不断加大,每年将产生大量退役蓄电池,动力蓄电池梯次利用的概念应运而生并受到广泛关注。
  
  梯次蓄电池利用能提高蓄电池的利用率,延长松下蓄电池的生命周期,无论是节能方面还是环保方面意义重大,但是梯次蓄电池利用必须注意一些事项:
  
  ①尽可能采用基本单元蓄电池(cell),如2V单体铅酸蓄蓄电池,各种锂蓄电池,包括磷酸铁锂蓄电池、钛酸锂蓄电池、三元锂蓄电池、钴酸锂蓄电池、锰酸锂蓄电池等。以多个单元串联后封装一体的蓄电池,如6V铅酸蓄蓄电池(3个2V单元)和12V铅酸蓄蓄电池(6个2V单元),不太适合梯次利用,主要是因为这些蓄电池的内部为多串蓄电池,自身就存在不均衡的问题,无法通过外部解决。
  
  ②必须遵循同类型蓄电池成组原则。成组蓄电池必须是相同类型的蓄电池,即蓄电池的工作电压区间必须相同。工作电压区间不同的蓄电池不能出现在同一蓄电池组中,即使容量相同也不能混用。
  
  ③有条件的情况下,成组蓄电池组装前要进行容量、电压和内阻测量,尽可能选择容量和内阻接近的蓄电池,减少复用期间一致性差异的扩大。
  
  由于梯次蓄电池的容量普遍低于标称容量,为获得足够的容量,需要使用数量更多的蓄电池通过合适的串并联来达到设计容量,因此需要根据技术条件来装配。
  
  装配方式一:先并后串,如电动汽车用蓄电池组采用此方式。
  
  装配方式二:先串后并,常用于数据中心或机房。
  
  两种装配方式各有优缺点,适合不同环境:
  
  先并后串的缺点:单元蓄电池连接线和汇流排的选择非常重要,否则会造成蓄电池充放电的差异,个别松下蓄电池漏电流(或故障)会影响一个并联单元,对容量的影响比较大,直接影响续航时间(里程);优点:易于管理,如果增加蓄电池均衡器只需要一组(套)即可。
  
  先串后并的优点:连接方便,检修方便,能够快速检测和处理故障蓄电池,易于维护,每一串中的单元蓄电池容量均可以不同,蓄电池利用率高,容量(功率)可以任意扩充,增加后备时间,提高可靠性,特别适合数据中心;缺点:如果增加蓄电池均衡器需要多组(套)。
  
  ④下列蓄电池不能复用:一是漏电流大(或自放电率高)的蓄电池;二是外观发生形变,如外壳膨胀的蓄电池;三是发生漏液的蓄电池。
  
 
 2 梯次蓄电池均衡
  
  梯次松下蓄电池的筛选即使非常严格,也难以保证蓄电池的一致性,即使一致性极佳的蓄电池装配在一起,几十个充放电循环后仍然会发生不同程度的差异,并且这种差异会随着使用时间的延长逐渐加重,一致性会越来越差,明显表现为蓄电池间的电压差逐渐拉大,有效充放电时间越来越短。大量检测数据发现,一致性变差的蓄电池组具有如下特点:
  
  ①单元蓄电池的电压呈现明显高低错落、不规则分布;
  
  ②单元蓄电池的剩余容量大小呈现不规则离散型分布;
  
  ③单元蓄电池的内阻大小同样呈现不规则离散型分布。
  
  通过对检测数据的进一步统计发现,造成蓄电池失衡的最大杀手,一是蓄电池的温度差异,蓄电池组的安装通常都比较密集,每个部位的蓄电池温度都不相同,影响蓄电池的一致性发挥,加速蓄电池间差异;二是剧烈充放电,加速蓄电池间差异的扩大
对于本例中的D蓄电池,如果能将其放电电流自动降至50A以下,如47~48A,不足的2~3A电流自动由其他容量大的蓄电池提供,那么总体放电时间就可以超过9h,与其他蓄电池共同到达放电终点,并且不会发生过放电;同样,如果能将其充电电流自动降至50A以下,如47~48A,剩余的2~3A电流自动转移到其他容量大的蓄电池,自动提高大容量蓄电池的充电电流,与其他蓄电池共同到达充电限制电压,就不会发生过放电。由此可见,均衡电流必须要达到5A以上方可满足要求,特别是在充放电末期,从均衡原理上,只有转移式蓄电池均衡器才可能胜任。
  松下电池均衡器技术在梯次储能蓄电池中的应用
  目前有效的蓄电池均衡技术进展很不平衡,特别是在均衡电流和均衡效率上,尽管有些方案已经采用了同步整流技术,但最大均衡电流多局限在5A以内,连续均衡电流只有1~3A,满足不了需要。由于必须支持双向均衡,电流转换效率通常也不高,较大均衡电流下的自身发热问题仍比较突出,还有一个重要障碍就是设备成本,由于多数采用了同步整流芯片,成本增加不少。
  
  3 高效蓄电池均衡技术
  
  目前,一种大功率、高效率、实时、动态转移式蓄电池均衡器技术已由大庆市交通运输局的周宝林同志历经多年研制成功。它以国家专利技术(专利号201220153997.0和201520061849.X)为核心,又融入了自行发明的双向同步整流技术(已申请专利:一种具有双向同步整流功能的转移式实时蓄电池均衡器,申请号:201710799424.2),这是一种不需要同步整流芯片的双向同步整流技术,不仅设备成本大幅度降低,而且将均衡电流和均衡效率大幅度提升。实现了均衡技术指标上的突破,具有以下特点:
  
  ①均衡电流范围大。均衡电流大就意味着均衡速度非常快,见附表。目前增强版锂蓄电池均衡器已实现均衡电流与电压差的关系约为1A/13mV,例如电压差达到130mV时,均衡电流可以达到10A左右,特别有利于高速均衡。
  
  ②均衡效率高。均衡效率高意味着电能的损耗更少,利用率更高,设备的温升更低,见表1。
  
  ③实时动态均衡。蓄电池组静止状态下,可以将组内最大电压差控制在10mV以内甚至更小(取决于基准电压差的设定),并进入微功耗待机检测状态,蓄电池组无论是在充电状态,还是在放电状态,一旦检测到电压差大于基准电压差,立即进入高速均衡状态,实时动态均衡的最大好处是有效均衡时间长,均衡器的效率最高,其独特的脉冲技术对蓄电池具有良好的养护和容量提升效果,已经得到应用的检验。
  
  使用大电流、高效率蓄电池均衡器能最大限度预防衰减蓄电池的过充电、过放电以及热失控故障。即使松下蓄电池组的容量衰减已形成一致性变差的事实,也能非常好地降低其衰减速度,通过自动强制电压保持一致性,在一定程度上还能提高蓄电池组的有效容量,延长蓄电池组的循环使用寿命,特别是明显减少维修和维护成本。
  
  实际使用效果:在24串单体2V170Ah客户返厂铅酸蓄蓄电池组上的使用。采用标准17A电流充放电,在无均衡器情况下,充满电后的最大放电时间约3h,3块蓄电池放电期间发热严重,严重过放电,电压值低于0.5V,其中1块蓄电池为-0.1V,出现了极性反转,21块蓄电池电压在1.8~2.0V不等,尚有很多电量没有释放出来;使用本文的蓄电池均衡器样机后,标准充放电参数下,几个充放电循环后,放电时间逐渐延长到5.5h左右,提高效能达80%以上,3块最差的蓄电池,放电结束后的电压全部在1.5V以上,并且放电电压逐渐上升,特别是当初发热严重的问题,得到极大改善,温度降低非常明显,只有4块蓄电池的电压在1.9V左右,其余蓄电池均在1.8V左右,蓄电池电量得到充分、有效释放。为实验松下蓄电池