摘要：由于鋰電池的諸多優點,在數據中心也引起了眾多關注,有不少數據中心的供電系統由鉛酸電池逐漸改為鋰電池。但鋰電池在使用中也出現了一些問題,本文對這些問題進行了詳細地梳理。電池的分散性一直是人們所關注的問題,因此出現了各種補償均衡的方法,本文也對這幾種方案進行了比較和說明,并并給出了延長電池壽命和安全性的最佳解決方案:電池組維護儀。

     一、鋰電池簡介
　　
　　由于數據中心的重要性，供電系統都要求不間斷供電，儲能系統就成為不可缺少的關鍵環節。鋰電池的問世為數據中心帶來了曙光，和鉛酸電池比起來這種電池的比容大、體積小、重量輕、內阻小和壽命長為今后UPS的配套儲能環節提供了方便。
　　
　　圖1示出了鋰電池的放電曲線和生命周期特性曲線,從圖1(a)可以看出鋰電池在高倍率放電時的情況,放電電壓一直比較平穩。從圖1(b)可以看出“損壞風險區”實際上就是器件的早期失效區和老化區在這個區間的“穩定區”就是用戶的使用安全區,在這個區域是不是就可以放心大膽地不管不顧地去使用呢?這正是下面需要討論的問題。
　　
　　二、鋰電池也需要維保嗎?
　　
　　本世紀初國家推出新能源汽車的“三縱三橫”的發展策略,其中三橫中的“電池及電池管理系統”就是其中重要一環。新能源汽車行業和數據中心隨著近十年的催生,人們已經熟知了是以鋰離子電池為代表的新一代動力電池,但新能源電池組維保卻不為人們所熟知。鋰電池在使用中的起火和爆炸時有發生。這就提出了一些問題:為什么鋰電池單電芯3000次以上的循環壽命,而PACK成組壽命不到800次。電池容量、電壓、內阻、自放電率的一致性以及溫度一致性等多種客觀因素充放電策略不合理,電池超拐點應用體現在電池廠售后服務費用倍增
　　
　　2.1容易混淆的幾個基本概念
　　
　　1）電芯:系指單個含有正極和負極的電化學電芯,一般不直接使用。區別于電池含有保護電路和外殼,可以直接使用,如圖2(a)所示。(比如特斯拉選用的NGM三元18650電芯)
　　
　　2）單體電池:系指將多只電芯并聯使用,其特征為僅電池容增加,端路電壓不變。
　　
　　3）電池成組(PAK):系指將多只單體電池串聯使用,其特征為各單體電池容量不變,電池總回路電壓為各單體電池電壓之和,如圖2(b)所示。
　　
　　鋰電池pack在早期主要指鋰離子電池包的加工組裝和包裝。pack包括電池組、匯流排、軟連接、保護板、外包裝、輸出(包括連接器),青稞紙、塑膠支架等輔助材料這幾項共同組成pack。實際上就好比一支水筆,將各種配件組裝成一支水筆的過程,就叫pack,包括筆芯、筆筒、上下筆蓋、標貼、包裝、合格證與說明書等。電池pack現在主要集中在鋰電池pack廠,都捅有自己的pack結構設計,pack電子設計和pack生產車間,能根據客戶的需求進行自主的開發設計,通過電池方案,電池規格書,電池樣品達到客戶的pack鋰電池定制需求確認后,再讓pack車間的pack生產線進行生產加工,品質檢驗合格后出貨。如圖2(c)所示為一個簡單pack示意圖。
　　
　　2.2電池串聯成組引發的問題
　　
　　應該承認pack在出廠時由于經過了嚴格的工藝把關及篩選檢驗流程,其電池一致性是有保證的,廠家所指的電池長壽命嚴格意義上說應該是指電芯壽命,如果經過嚴格篩選配組電池一致性符合出廠要求的電芯做并聯也可以理解為單體電池的壽命。
　　
　　但真正的問題恰恰就出在電池串聯成組應用上,尤其是在數據中心UPS配套串聯成組的應用上最怕出問題。如圖3所示,多個單體串聯或而后組成pack結構后就可能出問題。為此設計者也采取了一些措施,但也遇到了一些棘手的問題。
　　
　　1.幾個影響電池串聯成組一致性的主客觀因素
　　
　　1)電池的容量差異:盡管在電池極板薄膜繞制匝數一樣和所填電解液的量也一樣,但實際出來的產品容量仍然有差別,尤其在串聯情況下會繼續加大其容量差異;一般情況下,電池組中電池的容量差小于3%。假如與鋰電池組串聯的電池之一不符合標準,或在包裝前放置太久,充滿電后電壓差可達150mV,導致電池組總容量減少13-18%;
　　
　　2)電池的端路電壓差異:和鉛酸電池一樣,實際產品的端電壓也不容易達到一致。一般來說鋰電池組壓差越小越好,一般單體不要超過0.1V,壓差越大鋰電池容量損失越多,但一般也沒什么太大危險!手機用的鋰電池電壓和充電電壓的壓差是0.5到0.56V之間。電池在恒電流充放電過程中,電壓也不是不變的。
　　
　　3)電池自放電率差異:電池組環境溫度變化(充放電引起自身溫度變化,環境溫度變化,pack受室內其它設備產生熱引發溫度變化)會引起電池內阻的差異(主要是極化內阻)。溫度是電子器件和電池的天敵,根據阿雷紐斯定律,溫度每升高10℃電子器件和電池的壽命減半,即溫度按照10℃的算術級數升高電子器件和電池的壽命就會按照1/2n的幾何級數遞減。
　　
　　2.電池管理系統(BMS)能解決pack壽命嗎?
　　
　　電池管理系統(BMS)主要是解決電池安全問題。同時人們又為其追加了電池剩余電量(SOC)和電池健康指數(SOH)及電池組絕緣監測等附加功能。有的BMS采用了電池均衡功能,采用BMS實現均衡功能的又分為兩種流派。就是說既然電池成組一致性的問題一直是困擾業界的難題之一。人們首先想到了BMS,希望通過BMS來負責解決“電池成組一致性”的瓶頸問題。
　　
　　近十年來業界試圖通過BMS來解決電池組一致性問題的方法可謂是“百花齊放”,但目前在行業占主導地位的流派主要有兩種。其基本特征都是想通過對BMS嫁接來解決電池組一致性問題。一種是“被動均衡”模式，另一種是“主動均衡模式”。
　　
　　主動均衡與被動均衡:簡單說凡是使電阻耗散能量的均衡都稱為被動均衡;凡是通過能量轉移的均衡都稱為主動均衡。
　　
　　被動均衡模式:“被動均衡模式先于主動均衡模式出現,因為電路簡單,成本低廉至今仍被廣泛使用。其原理是依照電池的電量和電壓呈正比相關,根據單串電池電壓數據,將高電壓的電池能量通過電阻放電以與低電壓電池的電量保持相等狀態,也有以最高電壓為判據,比如三元鋰電最高4.2V,凡是超過4.2V就開始放電均衡。”
　　
　　(1)“被動均衡”模式最早起源于2008年北京綠色奧運期間,由清華大學研發團隊提出并逐漸在業界流傳開來。由于被動均衡模式啟動較早,均衡電流只有幾十毫安,只能說是微調,所以對BMS來講改動不大,由于均衡電流小所以電壓采集芯片很容易兼容此功能,被國外的一些芯片公司所青睞,所以目前的BMS采集芯片多有此均衡功能,當年“被動均衡”技術曾在2008年北京奧運期間試用,并很快在行業內流傳開來。
　　
　　“被動均衡”模式的工作原理主要是將pack內部所有單體電池進行比較,找出組內電池端路電壓高于端路電壓最低的電池,并在電池組串聯充電期間進行“動態”放電均衡。其方法主要是將通過BMS判斷組內電池端路電壓高于端路電壓最低的電池后,對所有高于組內最低端路電壓的電池進行微小電流放電,以最低端路電壓的電池為比對條件,只要判斷高于低電壓電池就進行放電均衡,直到組內電池都達到電壓一致為止,如圖4(a)所示,圖4(b)所示為主動均衡模式原理方框圖。
　　
　　被動均衡模式需要商榷的問題:
　　
　　1）因被動均衡模式采用的工作方法是整組pack在串聯充電時的動態均衡為主,BMS是在pack動態狀態下進行判斷的,由于動態判斷時電池電壓是在非穩定狀態下不斷發生變化,其電壓標準會隨機不斷跟隨發生變化,不能稱其為標準電壓,即無固定參考標準可依;
　　
　　2）均衡電流太小(幾十毫安),均衡時間過長;
　　
　　3）采用放電均衡會增加電池無謂損耗,即電量損失和安全隱患。
　　
　　(2)主動均衡模式:另一種均衡模式為“主動均衡”,起源于2010年后,應該是在被“被動均衡”的基礎上改進發展起來的。其主要意圖是以下幾點:
　　
　　1）改被動均衡為主動均衡,改放電均衡為充放電均衡結合。均衡電流可以做的較大,一般為1-5A,相對提高均衡效率;
　　
　　2）通過開關電源做雙向充放電轉換式均衡,理論上均衡效率較高,其均衡電流也相對可以做的較大;
　　
　　3）與BMS做為一體可實現車載均衡。
　　
　　主動均衡模式需要商榷的問題:
　　
　　1）主動均衡看似因明顯加大了均衡電流,比被動均衡明顯提高了均衡效率,但畢竟是通過開關電源均衡仍會存在功率損耗問題。更可怕的是在均衡達到平衡點時,由于穩定狀態難以保證,電池間的均衡AB角色轉換頻繁發生,該功率損耗的持續發生難免會造成電池的容量損失;
　　
　　2）主動均衡因為其中一個重要的想法是加大均衡效率,基本做法仍是以動態均衡為主,與被動均衡同樣是沒有固定參考標準可依的,這樣就很難保證達到預想的均衡效果;
　　
　　3）主動均衡是裝在BMS隨車應用的,考慮到減小成本及體積重量,大多采用N選1的工作方式,即選擇式均衡模式。一個pack里如出現多只電池差異也要一只只排隊均衡,均衡效率大打折扣,這樣就會造成組內電池不斷進行近乎“折騰式”的均衡,電池容量也會越均衡越少;
　　
　　4）主動均衡主要是由功率器件構成,因其與BMS做在一起,功率越大發熱越大,技術處理不當會對pack造成一定的安全隱患。圖5示出了主動均衡及其補償原理電路圖
　　
　　通過以上分析,無論是被動均衡還是主動均衡均存在不同程度的方向性技術缺陷,應用于pack中是否合適還需要探討。這種看似有道理實則對pack壽命有無影響目前還沒有定論,需要相關專家進一步研究。
　　
　　三、解決pack壽命的鑰匙-電池組維護儀
　　
　　經過多年來在BMS領域的刻苦專研和實踐,筆者團隊開發出了具有全新設計理念的拜倫思牌鋰動力電池組維護儀系列產品。經過兩年多在國內一些知名電池廠及pack廠試用反響不錯。
　　
　　圖6示出了拜倫斯牌便攜式電池組維護儀在山東某公交線路的公交大巴的一組維護數據,此車在維護前續航里程已經縮短到70%以下,經過維護后此車的續航里程已經恢復到90%以上。所以首先在電動車上做此實驗是因為電動汽車的使用環境比數據中心惡劣,如果在此能得到滿意的結果,那么在數據中的環境下此儀器100%放心使用。
　　
　　維護儀的維護策略對pack安全有利的幾個方面:
　　
　　1）對整組pack采用先串充后補齊維護手段,可根據維護需要調整維護上限數據,做到有標準可依;
　　
　　2）通過BMS定期或不定期檢查組內電池電壓互差的大小及趨勢來判斷pack是否需要維護,并可以此判定維護的周期;
　　
　　3）采用設備外供電以確保維護不會造成電池本身的容量消耗,維護設備以靜態離線式維護的方式,以確保pack最佳的維護效果;
　　
　　4）維護是離線進行的,對數據中心來講這種維護是非常安全的;
　　
　　5）通過堅持維護策略,減少個別電池電壓冒尖會大大降低pack的安全隱患;
　　
　　6）建立pack維護接口標準,實現維護流程標準化,促進新能源汽車產業和數據中心儲能系統的安全快速發展。
　　
　　作者簡介
　　
　　方英民,中國電能質量專業委員會副理事長、中國電源產業技術創新聯盟副理事長、中國微型汽車聯盟副理事長、電源工業協會常務副理事長、中國化學與物理電源行業協會鋰電池分會常務理事、哈爾濱工業大學新能源汽車專業特聘高級研究員等多個高級技術職務。有多項成果,其中《ZXZ8型電力需求分析儀》獲航天部科技成果二等獎,并批量出口南美洲國家;《DK-100型二次電池化成檢測設備》獲科技部優秀科技成果二等獎等。
　　
　　編輯：Harris