锂电池梯次利用的现状、技术难点及解决方案

动力电池组的一致性问题是导致电池组快速衰减、发生热失控故障、使用寿命远低于设计寿命的主要原因。提前报废的电池组，很多单元电池还处于健康状态，仍具有较高的利用价值，通过合理的梯次利用，可继续发挥其余热。但一致性问题不解决，新组装的梯次利用电池组仍会在较短的时间内同样发生一致性问题，研究和实验表明，高效解决一致性问题才是电池组安全运行和耐用的根本。

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一、梯次利用的必要性

锂电池使用量最大的设备是电动汽车，随着第一批电动汽车使用年限的逐渐到来，大量车用锂电池组面临退役和报废处理，数量以万吨为单位，如此庞大数量的锂电池，直接按报废程序和流程处理显然是不合适的。

这是因为退役或报废电池组中并非所有电池都处于报废状态，由于不一致性原因，通常只是个别单元的电池报废，组内的很多电池还处于良好的生命周期内，仍有较高的梯次利用价值，可以通过合适的梯次利用方案继续发挥余热。

近些年来，电池组梯次利用的呼声与研讨一直在持续，这种声音，是积极的、正面的，是环保意识、资源再利用意识得到进一步增强的体现，一些企业已经开展了这方面的尝试。

二、梯次利用的现状

理想很丰满，现实很残酷，是退役电池组梯次利用的真实写照。为了延长退役电池的使用寿命和剩余价值，国家、政府鼓励企业和社会力量开展对大量退役电池进行梯次利用，减少报废电池数量、减少环境污染，然而梯次电池的利用现实却非常残酷，特别是其安全问题。

由于电池组的一致性问题在全世界都是一个技术难题，尚没有高效、彻底和经济的解决方案和技术，使得梯次利用电池组的运行安全性远远低于原电池组，并且梯次利用的安全、循环寿命和再利用价值无法得到保证。所以，电池组梯次利用在具体应用层面和市场反应远不如预期的好。下面通过几个案例进行进一步说明。

据报道，自2018年5月以来，韩国储能行业发生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，3件是在安装和施工途中发生火灾。从火灾事故起数可以看出，因电池充放电原因发生的事故数量和比例占了绝大多数，可见电池安全管理在电池组的安全运行中是多么的重要。

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。

锂电池虽然具有其它二次电池所不具有的优势，比如能量密度大，循环使用寿命长等优势，但其弱点也非常明显，特别是对充放电电流和电压非常敏感，耐过充和过放能力非常差，既不允许过充，也不允许过放，否则会对锂电池的容量、性能、使用寿命造成不可恢复的损伤，因此单锂电池（包括多块锂电池并联）模块通常都配备独立的锂电池保护板，防止锂电池在使用期间发生过充电或过放电故障，但这种保护方式不适合串联锂电池组。

大量的研究和试验表明，要解决锂电池组的安全运行问题，必须解决锂电池的一致性及其引发的“热失控”管理问题，而解决一致性问题的关键技术则是电池均衡技术，因此，研发高效的电池均衡技术是当前及今后一段时间内需要重点攻关的课题，是保障电池组安全运行的核心技术。

三、电池均衡技术难点

国内外在高功率、大容量电池梯次利用方面，主要应用在储能电站，用于调峰，其次是用于通讯基站，逐渐取代传统的铅酸蓄电池。为了获得需要的电压和功率，储能电池组的锂电池全部采用多并多串的方式，容量更大，串数更多，安全管理难度更大，因此对电池均衡的要求也更高，特别是在均衡电流和均衡效率方面，需要解决快速均衡的问题。

锂电池组的使用过程包括充电期、充电结束后的恢复期、静止期、放电期、放电结束后的恢复期、静止期、再充电，反复循环，如图1所示，其中影响电池使用寿命的最重要的两个环节是充电和放电，也是最容易引发电池“热失控”事故的阶段。

充电期最容易发生的问题是过充电，通常并不是每一个单元电池都被过充电，而是组内容量最小的电池极易被过充电，并且是长时间被过充电，大部分电池的电压通常都处于正常电压区间，特别是到了充电末期，电压差异非常明显；放电期最容易发生的问题是过放电。

同样，通常也不是每一个单元电池都被过放电，而是组内容量最小的电池极易被过放电，大部分电池的电压通常都处于正常电压区间，特别是到了放电末期，电压差异非常明显；而在其它期间不再发生充放电行为，小容量电池与其它电池的电压差异通常并不十分明显，通过电压识别容易造成误判。这里我们发现，容量最小的电池既容易被过充电，又容易被过放电，两种状态都加速其衰减，需要重点解决小容量电池被过充电和被过放电的问题。

锂电池的容量衰减有一个渐进和积累的过程，如果从电池组启用后就通过电池均衡功能介入和干预。那么，锂电池因外界因素造成衰减差异速度就会降低，通过外部均衡硬件的主动控制和干预将所有电池的衰减速度差异控制在相同区间，即等速度或等速率衰减，就可以最大限度地提高整个电池组的循环使用寿命，这就需要通过电池均衡技术来实现。

通过电池使用期间示意图不难发现，充电期和放电期只是其中的两个环节。因此，仅仅依靠充电期和放电期来实现电池组的均衡并不是最理想的方案，即使能够实现，对电池均衡器的性能要求必然非常高，随之带来的是高成本，难以普及。

通过电池组的实际使用情况来看，按照时间比例，充电期和放电期的累计时间远远小于恢复期和静止期的时间和。因此，多利用电池组的恢复期和静止期进行电池均衡，可以快速缩短衰减电池和正常电池之间的差异，所以，从实用的角度出发，实用的电池均衡技术最好要支持静态均衡，只有支持静态均衡，才能降低充电期和放电期的均衡压力，才能更好地提高电池组的充电均衡和放电均衡效率。

需要注意的是，静态均衡的启动条件是电压差大于均衡设备的设定基准电压差，直至平衡，为了防止均衡器一直无休止地进行静态均衡，需要均衡器支持均衡结束进入休眠或者微功耗检测状态功能，减少不必要的电能损耗。

目前，电池PACK包模块化的趋势越来越明显，通过电池PACK包可以构成更大容量和功率的大电池PACK组，尽管PACK包内安装了锂电池保护板，但电池包的循环使用寿命短的问题却几乎没有改观，安全事故依然频出，根源都是因为一致性问题没能得到解决造成的，可见对电池包内电池组进行实时高速均衡的需求是非常迫切的。

在电池组发生一致性问题的情况下，电压差异特征的表现最为明显，也是电池组一致性检测的常用和关键量化指标，从电压检测、均衡控制和设备成本控制的角度出发，通过控制电压的方式进行均衡是最经济、最有效和最容易实现的方案，为广大研发人员采用。

基于此，电池均衡技术主要有三种类型，分别是电阻耗能式均衡、充电均衡和转移式电池均衡，其中电阻耗能式均衡是典型的的被动均衡，类外两种为主动均衡。开发成本和均衡效率方面由低至高的顺序为：电阻耗能式均衡＜充电均衡＜转移式电池均衡。

充电均衡其实是一种过渡的电池均衡技术，主要解决了电阻耗能式均衡的均衡电流小、发热严重的问题，而转移式电池均衡才是真正意义上的实用的电池均衡技术，是电池均衡技术的未来发展方向，三种电池均衡技术的主要性能差异详见表1。

通过对照可以发现，虽然转移式电池均衡技术具有性能优势，但其弱点也很多，例如成本高、技术复杂、实现难度大，都是目前研发需要面对的难题，需要通过广大科技工作者的不懈努力进一步进行技术攻关来解决。

四、实时电池均衡技术的研发难点

基于实时电池均衡技术的研发难度之大，市场上这种电池均衡器的研发进展非常缓慢，掌握这项技术的研发机构和企业非常少，特别是高效的转移式实时电池均衡技术，从市场上的相应产品的销售、普及情况就可以证明，只存在少数几种电池均衡器在销售中，但因成本原因，销售并不理想。

在很多人眼里，转移式实时电池均衡技术几乎是一项不可能实现的技术，事实上，它的研发难度超乎很多人的想象，需要攻克的技术难点非常多，往往是一个技术难点攻克了又出现了新的技术难点，而且有些技术难点之间又相互牵制和干扰，想要找到一种满足多个指标要求的技术方案都需要进行大量的计算和试验，确定设计方案是非常困难的。

甚至是，一个太正常不过的参数调整都会导致系统紊乱、工作异常，社会上很多当初信心满满的研发机构、团体和企业大多都是因为研发难度过大、研发周期长、设备成本过高，在投入大量研发资金无果后选择了放弃研发。

真正实用的电池均衡应具有成本适中、电能转换效率高、均衡速度快、电压控制精度高、实时均衡的特点，这些特有的指标要求，实际上在成本控制与性能要求之间形成了矛盾，必须通过经济、合理的软硬件设计来解决。

五、实例与分析

为了实现上述均衡目标，作者历时多年开发出高效实时电池均衡技术，成功解决了成本与性能之间的矛盾问题，已在各种一致性严重失衡锂电池组上开展并完成均衡应用实验，达到设计指标。通过在多达13串18650型号梯次利用锂电池组上的连续充放电均衡实验，各项性能指标都达到预期要求。

实验期间，最小容量电池未发生过充和过放问题、所有电池容量都得到最大化利用，在整组表现上，无论是充电容量还是放电容量都远远超过组内最差电池的容量，全过程中，所有电池的电压都处于安全值以内，特别是在充放电的末期，电压差始终非常小，所有电池的温升都在合理区间，最差电池的温升反而是最低的，这种温升的表现对于控制“热失控”是非常有利的。

本文以13串18650型号梯次利用锂电池组的标准放电和均衡放电为例进行对比和阐述，13块锂电池的实际容量相差悬殊、内阻各异，放电标准为1A恒流放电，当总电压放电至39.0V或任意电池的放电电压降至3.0V时停止放电。为确保对比放电公平，每次放电前，每一块电池都通过均衡充电模式充电至相同的电压。

在常规放电模式下，有效安全放电时间35分钟，10#电池就到达放电终止电压3.0V，如图2所示，其它电池的电压普遍较高，电压的一致性表现得非常差，最大电压差达到0.581V，非常严重，放电总电压仍高达44.876V，远高于规定的39.0V，平均电压高达3.452V，远远高于平均放电截止电压，从剩余平均电压来看，还有较多电能没有得到利用，闲置了很多容量，容量利用率较低，浪费严重；

而当全程使用高效电池均衡器的情况下，在相同的放电标准情况下，有效安全放电时间延长至58分钟，是标准放电容量和时间的1.66倍，此时，10#电池的电压仍高达3.0V以上，如图3所示，其它电池的放电电压也都接近于3.0V，电压的一致性表现的非常好，最大电压差只有70mv，基本正常，放电总电压39.377V，接近39.0V，平均电压只有3.029V，非常接近平均放电截止电压3.0V，有效电量基本都释放完毕。10#电池的电压之所以不是最低，与实验用梯次电池具有不同放电曲线有关，最重要的是高效电池均衡器的介入，对其它电池电量进行了充分的调整和再分配，电池的电能得到充分利用。

为便于对比，制作了两种放电模式下结束时刻电压对照表，见表2，及两种放电模式下结束时刻电压一致性对照图，如图4所示。本文所使用的高效电池均衡器支持BMS联控，可按需启动和关闭均衡功能，既可以独立控制某个单元，也可以控制整个均衡器组。

两种放电模式模式下的实验结果对比，充分说明了均衡放电的作用和效果是非常明显的。均衡放电不仅仅实现了不同容量电池电压的同步下降，防止小容量电池发生过放电、预防热失控故障发生，提高电池组的循环使用寿命，更重要的是实现了差异电池容量的安全、充分利用，提高电池组的平均容量利用率，稳定续航时间。

本文所述转移式实时电池均衡器高效支持静态均衡和充电均衡，限于篇幅，相应的对比实验抓图及相关数据分析略。

六、结束语

锂电池梯次利用所遇到的问题，不仅限于配组时一致性较难控制的退役电池组的梯次利用，也包括配组时一致性较好的标准电池组。锂电池梯次利用，最需要注意和解决的是电池组的运行安全问题，没有了安全这个前提，梯次利用无从谈起。

而对安全威胁最大的是一致性问题及其引发的“热失控”，有效的电池均衡技术是目前唯一的选择，而转移式实时电池均衡技术性能最好，但它仍无法消灭电池的衰减，只是将不同差异电池的衰减速度进行了优化和调节，使之具有近似相同的衰减速率，同步衰减，通过高效均衡管理实现电池组的长寿命安全运行。

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