一、梯次利用的必要性

鋰電池使用量最大的設備是電動汽車，隨著第一批電動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，直接按報廢程序和流程處理顯然是不合適的。

這是因為退役或報廢電池組中并非所有電池都處于報廢狀態(tài)，由于不一致性原因，通常只是個別單元的電池報廢，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、資源再利用意識得到進一步增強的體現(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)實很殘酷，是退役電池組梯次利用的真實寫照。為了延長退役電池的使用壽命和剩余價值，國家、政府鼓勵企業(yè)和社會力量開展對大量退役電池進行梯次利用，減少報廢電池數(shù)量、減少環(huán)境污染，然而梯次電池的利用現(xiàn)實卻非常殘酷，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技術難題，尚沒有高效、徹底和經(jīng)濟的解決方案和技術，使得梯次利用電池組的運行安全性遠遠低于原電池組，并且梯次利用的安全、循環(huán)壽命和再利用價值無法得到保證。所以，電池組梯次利用在具體應用層面和市場反應遠不如預期的好。下面通過幾個案例進行進一步說明。

據(jù)報道，自2018年5月以來，韓國儲能行業(yè)發(fā)生23起嚴重火災。2019年6月11日，韓國政府正式公布調(diào)查結果，所有23起儲能系統(tǒng)火災事故中有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。從火災事故起數(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行中是多么的重要。

根據(jù)官方機構統(tǒng)計，2018年我國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日的四天時間內(nèi)連續(xù)發(fā)生三起起火事故。與此同時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)人士認為，電池安全是新能源汽車起火最關鍵的因素，電池安全管理缺陷，特別是一致性管理難題會導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，比如能量密度大，循環(huán)使用壽命長等優(yōu)勢，但其弱點也非常明顯，特別是對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，否則會對鋰電池的容量、性能、使用壽命造成不可恢復的損傷，因此單鋰電池（包括多塊鋰電池并聯(lián)）模塊通常都配備獨立的鋰電池保護板，防止鋰電池在使用期間發(fā)生過充電或過放電故障，但這種保護方式不適合串聯(lián)鋰電池組。

大量的研究和試驗表明，要解決鋰電池組的安全運行問題，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鍵技術則是電池均衡技術，因此，研發(fā)高效的電池均衡技術是當前及今后一段時間內(nèi)需要重點攻關的課題，是保障電池組安全運行的核心技術。

三、電池均衡技術難點

國內(nèi)外在高功率、大容量電池梯次利用方面，主要應用在儲能電站，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，儲能電池組的鋰電池全部采用多并多串的方式，容量更大，串數(shù)更多，安全管理難度更大，因此對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、充電結束后的恢復期、靜止期、放電期、放電結束后的恢復期、靜止期、再充電，反復循環(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，并且是長時間被過充電，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漸進和積累的過程，如果從電池組啟用后就通過電池均衡功能介入和干預。那么，鋰電池因外界因素造成衰減差異速度就會降低，通過外部均衡硬件的主動控制和干預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電池組的循環(huán)使用壽命，這就需要通過電池均衡技術來實現(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環(huán)節(jié)。因此，僅僅依靠充電期和放電期來實現(xiàn)電池組的均衡并不是最理想的方案，即使能夠實現(xiàn)，對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。

通過電池組的實際使用情況來看，按照時間比例，充電期和放電期的累計時間遠遠小于恢復期和靜止期的時間和。因此，多利用電池組的恢復期和靜止期進行電池均衡，可以快速縮短衰減電池和正常電池之間的差異，所以，從實用的角度出發(fā)，實用的電池均衡技術最好要支持靜態(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)均衡的啟動條件是電壓差大于均衡設備的設定基準電壓差，直至平衡，為了防止均衡器一直無休止地進行靜態(tài)均衡，需要均衡器支持均衡結束進入休眠或者微功耗檢測狀態(tài)功能，減少不必要的電能損耗。

目前，電池PACK包模塊化的趨勢越來越明顯，通過電池PACK包可以構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，根源都是因為一致性問題沒能得到解決造成的，可見對電池包內(nèi)電池組進行實時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的常用和關鍵量化指標，從電壓檢測、均衡控制和設備成本控制的角度出發(fā)，通過控制電壓的方式進行均衡是最經(jīng)濟、最有效和最容易實現(xiàn)的方案，為廣大研發(fā)人員采用。

基于此，電池均衡技術主要有三種類型，分別是電阻耗能式均衡、充電均衡和轉移式電池均衡，其中電阻耗能式均衡是典型的的被動均衡，類外兩種為主動均衡。開發(fā)成本和均衡效率方面由低至高的順序為：電阻耗能式均衡＜充電均衡＜轉移式電池均衡。

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

通過對照可以發(fā)現(xiàn)，雖然轉移式電池均衡技術具有性能優(yōu)勢，但其弱點也很多，例如成本高、技術復雜、實現(xiàn)難度大，都是目前研發(fā)需要面對的難題，需要通過廣大科技工作者的不懈努力進一步進行技術攻關來解決。

四、實時電池均衡技術的研發(fā)難點

基于實時電池均衡技術的研發(fā)難度之大，市場上這種電池均衡器的研發(fā)進展非常緩慢，掌握這項技術的研發(fā)機構和企業(yè)非常少，特別是高效的轉移式實時電池均衡技術，從市場上的相應產(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，轉移式實時電池均衡技術幾乎是一項不可能實現(xiàn)的技術，事實上，它的研發(fā)難度超乎很多人的想象，需要攻克的技術難點非常多，往往是一個技術難點攻克了又出現(xiàn)了新的技術難點，而且有些技術難點之間又相互牽制和干擾，想要找到一種滿足多個指標要求的技術方案都需要進行大量的計算和試驗，確定設計方案是非常困難的。

甚至是，一個太正常不過的參數(shù)調(diào)整都會導致系統(tǒng)紊亂、工作異常，社會上很多當初信心滿滿的研發(fā)機構、團體和企業(yè)大多都是因為研發(fā)難度過大、研發(fā)周期長、設備成本過高，在投入大量研發(fā)資金無果后選擇了放棄研發(fā)。

真正實用的電池均衡應具有成本適中、電能轉換效率高、均衡速度快、電壓控制精度高、實時均衡的特點，這些特有的指標要求，實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、合理的軟硬件設計來解決。

五、實例與分析

為了實現(xiàn)上述均衡目標，作者歷時多年開發(fā)出高效實時電池均衡技術，成功解決了成本與性能之間的矛盾問題，已在各種一致性嚴重失衡鋰電池組上開展并完成均衡應用實驗，達到設計指標。通過在多達13串18650型號梯次利用鋰電池組上的連續(xù)充放電均衡實驗，各項性能指標都達到預期要求。

實驗期間，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遠超過組內(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)對于控制“熱失控”是非常有利的。

本文以13串18650型號梯次利用鋰電池組的標準放電和均衡放電為例進行對比和闡述，13塊鋰電池的實際容量相差懸殊、內(nèi)阻各異，放電標準為1A恒流放電，當總電壓放電至39.0V或任意電池的放電電壓降至3.0V時停止放電。為確保對比放電公平，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，有效安全放電時間35分鐘，10#電池就到達放電終止電壓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，最大電壓差達到0.581V，非常嚴重，放電總電壓仍高達44.876V，遠高于規(guī)定的39.0V，平均電壓高達3.452V，遠遠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，浪費嚴重；

而當全程使用高效電池均衡器的情況下，在相同的放電標準情況下，有效安全放電時間延長至58分鐘，是標準放電容量和時間的1.66倍，此時，10#電池的電壓仍高達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，與實驗用梯次電池具有不同放電曲線有關，最重要的是高效電池均衡器的介入，對其它電池電量進行了充分的調(diào)整和再分配，電池的電能得到充分利用。

為便于對比，制作了兩種放電模式下結束時刻電壓對照表，見表2，及兩種放電模式下結束時刻電壓一致性對照圖，如圖4所示。本文所使用的高效電池均衡器支持BMS聯(lián)控，可按需啟動和關閉均衡功能，既可以獨立控制某個單元，也可以控制整個均衡器組。

兩種放電模式模式下的實驗結果對比，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)航時間。

本文所述轉移式實時電池均衡器高效支持靜態(tài)均衡和充電均衡，限于篇幅，相應的對比實驗抓圖及相關數(shù)據(jù)分析略。

六、結束語

鋰電池梯次利用所遇到的問題，不僅限于配組時一致性較難控制的退役電池組的梯次利用，也包括配組時一致性較好的標準電池組。鋰電池梯次利用，最需要注意和解決的是電池組的運行安全問題，沒有了安全這個前提，梯次利用無從談起。

而對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是目前唯一的選擇，而轉移式實時電池均衡技術性能最好，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現(xiàn)電池組的長壽命安全運行。