Q-Batteries锂电池的管理与维护

• 由于Q-Batteries锂电池的诸多优点,在数据中心也引起了众多关注,有不少数据中心的供电系统由铅酸电池逐渐改为锂电池。但锂电池在使用中也出现了一些问题,本文对这些问题进行了详细地梳理。电池的分散性一直是人们所关注的问题,因此出现了各种补偿均衡的方法,本文也对这几种方案进行了比较和说明,并并给出了延长电池寿命和安全性的最佳解决方案:电池组维护仪。

•      一、Q-Batteries锂电池简介
  　　
  　　由于数据中心的重要性，供电系统都要求不间断供电，储能系统就成为不可缺少的关键环节。锂电池的问世为数据中心带来了曙光，和铅酸电池比起来这种电池的比容大、体积小、重量轻、内阻小和寿命长为今后UPS的配套储能环节提供了方便。
  　　
  　　图1示出了锂电池的放电曲线和生命周期特性曲线,从图1(a)可以看出锂电池在高倍率放电时的情况,放电电压一直比较平稳。从图1(b)可以看出“损坏风险区”实际上就是器件的早期失效区和老化区在这个区间的“稳定区”就是用户的使用安全区,在这个区域是不是就可以放心大胆地不管不顾地去使用呢?这正是下面需要讨论的问题。
  　　
  　　二、Q-Batteries锂电池也需要维保吗?
  　　
  　　本世纪初国家推出新能源汽车的“三纵三横”的发展策略,其中三横中的“电池及电池管理系统”就是其中重要一环。新能源汽车行业和数据中心随着近十年的催生,人们已经熟知了是以锂离子电池为代表的新一代动力电池,但新能源电池组维保却不为人们所熟知。锂电池在使用中的起火和爆炸时有发生。这就提出了一些问题:为什么锂电池单电芯3000次以上的循环寿命,而PACK成组寿命不到800次。电池容量、电压、内阻、自放电率的一致性以及温度一致性等多种客观因素充放电策略不合理,电池超拐点应用体现在电池厂售后服务费用倍增
  　　
  　　2.1容易混淆的几个基本概念
  　　
  　　1）电芯:系指单个含有正极和负极的电化学电芯,一般不直接使用。区别于电池含有保护电路和外壳,可以直接使用,如图2(a)所示。(比如特斯拉选用的NGM三元18650电芯)
  　　
  　　2）单体电池:系指将多只电芯并联使用,其特征为仅电池容增加,端路电压不变。
  　　
  　　3）电池成组(PAK):系指将多只单体电池串联使用,其特征为各单体电池容量不变,电池总回路电压为各单体电池电压之和,如图2(b)所示。
  　　
  　　Q-Batteries锂电池pack在早期主要指锂离子电池包的加工组装和包装。pack包括电池组、汇流排、软连接、保护板、外包装、输出(包括连接器),青稞纸、塑胶支架等辅助材料这几项共同组成pack。实际上就好比一支水笔,将各种配件组装成一支水笔的过程,就叫pack,包括笔芯、笔筒、上下笔盖、标贴、包装、合格证与说明书等。电池pack现在主要集中在锂电池pack厂,都捅有自己的pack结构设计,pack电子设计和pack生产车间,能根据客户的需求进行自主的开发设计,通过电池方案,电池规格书,电池样品达到客户的pack锂电池定制需求确认后,再让pack车间的pack生产线进行生产加工,品质检验合格后出货。如图2(c)所示为一个简单pack示意图。
  　　
  　　2.2电池串联成组引发的问题
  　　
  　　应该承认pack在出厂时由于经过了严格的工艺把关及筛选检验流程,其电池一致性是有保证的,厂家所指的电池长寿命严格意义上说应该是指电芯寿命,如果经过严格筛选配组电池一致性符合出厂要求的电芯做并联也可以理解为单体电池的寿命。
  　　
  　　但真正的问题恰恰就出在电池串联成组应用上,尤其是在数据中心UPS配套串联成组的应用上最怕出问题。如图3所示,多个单体串联或而后组成pack结构后就可能出问题。为此设计者也采取了一些措施,但也遇到了一些棘手的问题。
  　　
  　　1.几个影响电池串联成组一致性的主客观因素
  　　
  　　1)Q-Batteries电池的容量差异:尽管在电池极板薄膜绕制匝数一样和所填电解液的量也一样,但实际出来的产品容量仍然有差别,尤其在串联情况下会继续加大其容量差异;一般情况下,电池组中电池的容量差小于3%。假如与锂电池组串联的电池之一不符合标准,或在包装前放置太久,充满电后电压差可达150mV,导致电池组总容量减少13-18%;
  　　
  　　2)Q-Batteries电池的端路电压差异:和铅酸电池一样,实际产品的端电压也不容易达到一致。一般来说锂电池组压差越小越好,一般单体不要超过0.1V,压差越大锂电池容量损失越多,但一般也没什么太大危险!手机用的锂电池电压和充电电压的压差是0.5到0.56V之间。电池在恒电流充放电过程中,电压也不是不变的。
  　　
  　　3)Q-Batteries电池自放电率差异:电池组环境温度变化(充放电引起自身温度变化,环境温度变化,pack受室内其它设备产生热引发温度变化)会引起电池内阻的差异(主要是极化内阻)。温度是电子器件和电池的天敌,根据阿雷纽斯定律,温度每升高10℃电子器件和电池的寿命减半,即温度按照10℃的算术级数升高电子器件和电池的寿命就会按照1/2n的几何级数递减。
  　　
  　　2.Q-Batteries电池管理系统(BMS)能解决pack寿命吗?
  　　
  　　Q-Batteries电池管理系统(BMS)主要是解决电池安全问题。同时人们又为其追加了电池剩余电量(SOC)和电池健康指数(SOH)及电池组绝缘监测等附加功能。有的BMS采用了电池均衡功能,采用BMS实现均衡功能的又分为两种流派。就是说既然电池成组一致性的问题一直是困扰业界的难题之一。人们首先想到了BMS,希望通过BMS来负责解决“电池成组一致性”的瓶颈问题。
  　　
  　　近十年来业界试图通过BMS来解决电池组一致性问题的方法可谓是“百花齐放”,但目前在行业占主导地位的流派主要有两种。其基本特征都是想通过对BMS嫁接来解决电池组一致性问题。一种是“被动均衡”模式，另一种是“主动均衡模式”。
  　　
  　　主动均衡与被动均衡:简单说凡是使电阻耗散能量的均衡都称为被动均衡;凡是通过能量转移的均衡都称为主动均衡。
  　　
  　　被动均衡模式:“被动均衡模式先于主动均衡模式出现,因为电路简单,成本低廉至今仍被广泛使用。其原理是依照电池的电量和电压呈正比相关,根据单串电池电压数据,将高电压的电池能量通过电阻放电以与低电压电池的电量保持相等状态,也有以最高电压为判据,比如三元锂电最高4.2V,凡是超过4.2V就开始放电均衡。”
  　　
  　　(1)“被动均衡”模式最早起源于2008年北京绿色奥运期间,由清华大学研发团队提出并逐渐在业界流传开来。由于被动均衡模式启动较早,均衡电流只有几十毫安,只能说是微调,所以对BMS来讲改动不大,由于均衡电流小所以电压采集芯片很容易兼容此功能,被国外的一些芯片公司所青睐,所以目前的BMS采集芯片多有此均衡功能,当年“被动均衡”技术曾在2008年北京奥运期间试用,并很快在行业内流传开来。
  　　
  　　“被动均衡”模式的工作原理主要是将pack内部所有单体电池进行比较,找出组内电池端路电压高于端路电压最低的电池,并在电池组串联充电期间进行“动态”放电均衡。其方法主要是将通过BMS判断组内电池端路电压高于端路电压最低的电池后,对所有高于组内最低端路电压的电池进行微小电流放电,以最低端路电压的电池为比对条件,只要判断高于低电压电池就进行放电均衡,直到组内电池都达到电压一致为止,如图4(a)所示,图4(b)所示为主动均衡模式原理方框图。
  　　
  　　被动均衡模式需要商榷的问题:
  　　
  　　1）因被动均衡模式采用的工作方法是整组pack在串联充电时的动态均衡为主,BMS是在pack动态状态下进行判断的,由于动态判断时电池电压是在非稳定状态下不断发生变化,其电压标准会随机不断跟随发生变化,不能称其为标准电压,即无固定参考标准可依;
  　　
  　　2）均衡电流太小(几十毫安),均衡时间过长;
  　　
  　　3）采用放电均衡会增加电池无谓损耗,即电量损失和安全隐患。
  　　
  　　(2)主动均衡模式:另一种均衡模式为“主动均衡”,起源于2010年后,应该是在被“被动均衡”的基础上改进发展起来的。其主要意图是以下几点:
  　　
  　　1）改被动均衡为主动均衡,改放电均衡为充放电均衡结合。均衡电流可以做的较大,一般为1-5A,相对提高均衡效率;
  　　
  　　2）通过开关电源做双向充放电转换式均衡,理论上均衡效率较高,其均衡电流也相对可以做的较大;
  　　
  　　3）与BMS做为一体可实现车载均衡。
  　　
  　　主动均衡模式需要商榷的问题:
  　　
  　　1）主动均衡看似因明显加大了均衡电流,比被动均衡明显提高了均衡效率,但毕竟是通过开关电源均衡仍会存在功率损耗问题。更可怕的是在均衡达到平衡点时,由于稳定状态难以保证,电池间的均衡AB角色转换频繁发生,该功率损耗的持续发生难免会造成电池的容量损失;
  　　
  　　2）主动均衡因为其中一个重要的想法是加大均衡效率,基本做法仍是以动态均衡为主,与被动均衡同样是没有固定参考标准可依的,这样就很难保证达到预想的均衡效果;
  　　
  　　3）主动均衡是装在BMS随车应用的,考虑到减小成本及体积重量,大多采用N选1的工作方式,即选择式均衡模式。一个pack里如出现多只电池差异也要一只只排队均衡,均衡效率大打折扣,这样就会造成组内电池不断进行近乎“折腾式”的均衡,电池容量也会越均衡越少;
  　　
  　　4）主动均衡主要是由功率器件构成,因其与BMS做在一起,功率越大发热越大,技术处理不当会对pack造成一定的安全隐患。图5示出了主动均衡及其补偿原理电路图
  　　
  　　通过以上分析,无论是被动均衡还是主动均衡均存在不同程度的方向性技术缺陷,应用于pack中是否合适还需要探讨。这种看似有道理实则对pack寿命有无影响目前还没有定论,需要相关专家进一步研究。
  　　
  　　三、解决pack寿命的钥匙-电池组维护仪
  　　
  　　经过多年来在BMS领域的刻苦专研和实践,笔者团队开发出了具有全新设计理念的拜伦思牌锂动力电池组维护仪系列产品。经过两年多在国内一些知名电池厂及pack厂试用反响不错。
  　　
  　　图6示出了拜伦斯牌便携式电池组维护仪在山东某公交线路的公交大巴的一组维护数据,此车在维护前续航里程已经缩短到70%以下,经过维护后此车的续航里程已经恢复到90%以上。所以首先在电动车上做此实验是因为电动汽车的使用环境比数据中心恶劣,如果在此能得到满意的结果,那么在数据中的环境下此仪器100%放心使用。
  　　
  　　维护仪的维护策略对pack安全有利的几个方面:
  　　
  　　1）对整组pack采用先串充后补齐维护手段,可根据维护需要调整维护上限数据,做到有标准可依;
  　　
  　　2）通过BMS定期或不定期检查组内电池电压互差的大小及趋势来判断pack是否需要维护,并可以此判定维护的周期;
  　　
  　　3）采用设备外供电以确保维护不会造成电池本身的容量消耗,维护设备以静态离线式维护的方式,以确保pack最佳的维护效果;
  　　
  　　4）维护是离线进行的,对数据中心来讲这种维护是非常安全的;
  　　
  　　5）通过坚持维护策略,减少个别电池电压冒尖会大大降低pack的安全隐患;
  　　
  　　6）建立pack维护接口标准,实现维护流程标准化,促进新能源汽车产业和数据中心储能系统的安全快速发展。