摘要：電動車（包括電動汽車）使用一段時間後，當電池組發生一致性問題並導致充電容量和續航里程明顯降低後，繼續使用快充或大功率充電器按照標準電壓充電時，電池組發生起火爆炸的概率大幅度上升。但如果適當降低充電電壓，雖然充電容量和續航里程有少量的下降，但換來的是安全性的提高，特別是對於電池組一致性問題沒有得到根治之前，這種方法是簡單、有效的，本文通過大量的連續、系統性科學實驗證明，適當降低充電電壓可以明顯降低衰減電池的充電溫升，降低發生熱失控的概率。
關鍵詞：電池均衡、一致性、過充電、熱失控
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過充電的危害
不同廠商和品牌的電動車（包括電動汽車）充電期間電池組發生起火爆炸的案例大量充斥著各種媒體，其根本原因在於電池組的一致性問題，特別是因外部使用環境造成的一致性問題未能有效控制、解決，導致個別單元電池的長時間過度充電，引起電池的熱失控，最終導致電動汽車發生火災。
為什麼電池組長時間充電會發熱嚴重，特別是使用一段時間後發生衰減跡象的電池組，通過對充電發熱電池組的解剖和專業檢測發現，主要是由於電池組一致性差異問題的普遍存在造成的，這種電池組存在明顯衰減電池，並且衰減電池內阻明顯增大，從而導致電池組發熱問題具有普遍性，針對這一問題，作者開展了長達一年多持續研究，深入探究充電電壓對衰減電池溫升和熱失控的影響。
鋰電池結構及充放電原理，要求鋰電池使用期間的電壓必須要控制在安全區間，嚴禁過充電和過放電，這就是鋰電池單獨使用時必須要配套一塊鋰電池保護板的原因，實際上，不同類型鋰電池的充放電截止電壓值並不是絕對的，有少量的冗餘。
短時間內，充電電壓少量超過充電截止電壓不會對鋰電池產生傷害，但嚴禁長時間連續進行這種過充電操作，否則對鋰電池的傷害將是不可逆的，除了容量降低、內阻和自放電率增大外，影響最大的是安全性降低，溫度快速升高，容易引發熱失控，繼而發生爆炸、著火等危險。
對鋰電池過充電，特別是連續、長時間的過度充電，過度充電直接影響電池極板結構、隔膜和電解液的穩定性，不僅會造成容量永久性下降，而且內阻持續增大，動力性能下降。此外，個別衰減電池還會產生漏電增大、存不住電、浮充電流持續居高不下等問題，這些問題的出現，會使得鋰電池在一定充電電壓下發熱明顯，還會通過熱傳遞對相鄰的鋰電池進行加熱，進一步加劇鋰電池的衰減。
而當充電結束電壓恢復正常甚至適當降低的時候，漏電流和溫升都會明顯下降，衰減速度降低，循環充放電次數增加，為了研究充電電壓對鋰電池溫升和漏電流的影響，作者通過連續科學實驗進行了求證，獲取大量的科學實驗數據，通過科學的數據分析，得出非常有價值的結論，下面結合具體的系統實驗和數據進行分析和闡述。
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實驗案例
為使實驗更具普遍性，實驗所用電池全部為梯次利用電池，並且具有典型的一致性差異特徵，實驗電池組為4串鋰電池組，如圖所示（下方設備為高效實時電池均衡器樣機），均為過充電（過放電）原因引起的退役電池，已循環使用次數未知，原設計容量為2.2Ah，實際剩餘容量為1#：1.22Ah、2#：0.95Ah、3#：1.73Ah、4#：1.94Ah（放電截止電壓3.00V），實際剩餘容量分別為原設計容量的55.5%、43.2%、78.6%和88.2%。
通過容量檢測參數可以看到，1#和2#電池的容量衰減非常嚴重，這些電池都有一個共同特點，就是自放電率遠遠高於正常容量電池（自放電率差異會加速一致性劣化），在充滿電的情況下，即使不連接任何負載，開路電壓也會以較快的速度降低，為防止電池在充放電期間再次發生過充和過放問題，循環實驗全程連接高效電池均衡器樣機，即實行均衡充電和均衡放電。
均衡充電採用CC/CV模式，充電電流為1A、限壓充電，由於均衡器的介入，任一電池的最高充電電壓可以控制在4.25V以內，不會發生過充電；恆流均衡放電：放電電流1A，總放電截止電壓12.0V，同樣由於均衡器的介入，任一電池的最低放電電壓可以控制在2.9V以上，不會發生過放電。作為研究和對照，實驗分為兩個階段進行。
實驗用4串梯次利用鋰電池組及均衡器樣機
第一階段：全程採用專用充電器進行CC/CV模式充電，限流1A、限壓16.8V充電，在初期的100次循環中，特別是充電環節的後期（浮充電期間），在均衡器的介入下，4塊電池的外殼溫度（採用紅外測溫儀測量，下同）比較接近，沒有明顯的區別，與環境溫度差距不大，浮充電流也在合理範圍，放電容量基本平穩，整體容量呈現緩慢線性下降的狀態，符合電池的容量衰減規律。
在101—300次循環期間，在浮充電壓不變的情況下，整組電池的浮充電流以及1#和2#電池的溫升呈現緩慢、逐漸增大的趨勢，最大浮充電流高達0.18A，經檢測，浮充電流增大主要是由於1#和2#電池漏電流增大引起均衡器自動干預的結果，在實驗電池全天候處於開放的環境下，充電期間的最大溫升均明顯超過3#和4#電池，最大溫差達到9℃左右，溫度最高的是2#電池，測量數據如表1所示，同時，整組電池的實際放電容量平穩下降，符合電池的容量衰減規律。
第二階段：根據第一階段衰減嚴重的1#和2#電池充電溫升和浮充電流不斷上升的實際情況，在301—500次循環期間，對整組最大充電電電壓進行了下調，按照每塊電池下調0.1V的幅度，整體充電電壓下調至16.4V，隨著充電電壓的下降，在第二階段發熱嚴重的1#和2#電池的溫升開始大幅度下降，與3#和4#電池的溫升基本相同，略高於環境溫度。
在長達連續200次的均衡充放電循環中，充電期間以及浮充期間的的溫升差異始終很小，沒有明顯變化，特別是浮充電期間，溫升的絕對值和相對值遠遠低於第一階段，整組電池放電容量雖然比一階段略有減少，但安全性和穩定性大幅度提高，特別是對於預防“熱失控”效果非常顯著，繼而可以大幅度延長電池的循環使用壽命，從而得出了降低衰減電池充電電壓會直接降低電池溫升和漏電流的實驗結論。
同時降低平均充電電壓還可以最大限度地降低衰減電池的過充電概率，雖然降低充電電壓會減少鋰電池的的充電容量和縮短續航時間，但降低比例很小，換來的卻是鋰電池組的高運行安全係數、低“熱失控”風險和長循環壽命，意義同樣非常重大。
表1 衰減鋰電池浮充電壓與溫升關係表
經過兩個階段的連續循環實驗，結合電池溫升、放電容量和浮充電流的變化，得出如下結論：對於衰減電池，降低充電電壓雖然令電池的放電容量有所下降，但是卻明顯降低了電池的發熱溫度、降低了衰減電池發生熱失控的風險概率，提高了電池的安全性和循環實施壽命，
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拓展實驗
通過前面的連續均衡充放電實驗發現，衰減嚴重的1#和2#鋰電池溫升對充電電壓比較敏感，當充電電壓處於4.2V時，溫升相對較高，非常明顯，漏電流也較大，劣化程度遠超過3#和4#鋰電池；當將充電電壓下調至4.1V時，1#和2#鋰電池溫升明顯下降，與衰減較輕的3#和4#鋰電池相當，漏電流也大幅度下降。
當將第二階段實驗結束的電池組重新恢復成第一階段實驗參數時，第一階段浮充階段的電池溫升等表現雖然又重新出現，但溫升和浮充電流略有下降，在環境溫度基本相同的情況下，1#和2#電池的溫昇平均下降2～3℃，浮充電流下降至0.14A左右。
由此可以得出兩個關係結論：一是充電電壓與自放電率、漏電流、溫升、熱失控之間存在一定的關係，如圖2所示，圖中，↑符號表示上升，↓符號表示下降；二是上述指標的劣化幅度與電池的衰減程度有關，衰減越嚴重，劣化幅度越大；三是高效電池均衡器的長時間連續介入直接影響並改善了衰減鋰電池的電化學特性，對衰減鋰電池具有一定的修復作用。
這項連續研究實驗是在高效實時電池均衡器介入下完成的，目的是檢驗相同電壓下不同衰減程度鋰電池的漏電流和發熱溫升情況，並進行比較，尋找內在規律。在移除實驗用電池均衡器的情況下進行同樣的充放電循環實驗時，衰減嚴重的1#和2#鋰電池的電壓表現瞬間就發生劣化，遠遠超出最大允許範圍，實際溫升比第一階段末期還要高，“熱失控”風險程度提高。
圖2 充電電壓與自放電率、漏電流、溫升、熱失控之間的關係
為了對上述結論進行進一步驗證，接下來，在保持均衡器連接的基礎上，將電池組的充電電壓提高至17.2V，由於高效電池均衡器的介入和干預，等於每塊電池的電壓再提高0.1V，達到4.3V，再進行同樣的均衡充電實驗，結果發現，待電壓完全平衡並進入浮充電狀態後，在相同的室溫環境下浮充電流增大到0.21A左右，1#和2#電池的溫升進一步提高，無論是絕對值還是相對值都高於衰減程度較低的3#和4#鋰電池，進一步驗證了充電電壓對衰減電池影響的結論。
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實驗數據分析與建議
通過連續實驗及測量數據發現，電池衰減後，自放電率和內阻上升，導致電池的漏電流增大，而漏電流的增大又反過來提高電池的溫升，加之內阻的增大又助推溫度的提升，溫升提高後又會加大自放電率，從而形成典型的正反饋，加速衰減電池的進一步劣化，在無法實時控制和限制最高充電截止電壓的情況下，衰減電池的充電溫升會快速上升，存在較高的熱失控風險。
如果最高充電電壓超過電解液的分解電壓，衰減電池的溫升將在短時間內急速上升，熱失控風險進一步加大，極有可能會引發熱失控故障。這種情況與電動汽車在出廠時電池組運行比較安全，而在使用一段時間後，如幾個月或幾年個別車輛充電時發生起火爆炸的情形非常相似，問題的實質都是由於電池組的一致性問題沒有得到有效解決引起的。
相反，降低電池組的充電電壓，間接性地降低了衰減電池的充電電壓，雖然續航里程有所降低，但存在衰減電池的電池組安全性提升，這一點，與電動汽車廠商推薦用戶在充電時只充電80%左右就停止充電的推薦做法是相吻合的，這是因為，電池組只充電80%，直接降低了衰減電池的充電電壓，安全性自然就會好一點。
本文實例的第二階段中，平均充電電壓下調0.1V，雖然充電容量和放電容量會下降約10～20%，減少了續航時間，但安全性卻大幅度提高，利大於弊。這種方法如果將其應用於電動汽車，必將提高電動汽車的電池安全性，減少充電（包括快速充電後的一段時間內）爆炸、起火的概率，畢竟安全才是第一位的。
高效電池均衡技術的介入雖然並不能消除電池組的一致性問題，但會減緩和阻止一致性問題的深入發展，並且對衰減電池具有一定的修復作用，介入的越早，所起的作用和效果就越好。
5、結論與展望
本文通過對4串梯次利用鋰電池組在不同充電電壓下的均衡充放電循環實驗數據表明，適當降低鋰電池的充電電壓，對於已經發生衰減的鋰電池意義重大，降低溫升、降低漏電流效果顯著，隨著高效電池均衡器的介入和干預，將衰減電池的電壓始終控制在安全電壓範圍內，電池組內衰減電池單元的過充電和過放電概率大幅度降低，進一步提高電池組的運行安全性。
這種思想，加之配置高效電池均衡技術，如果是應用到電動汽車所使用的多並多串鋰電池組，那麼電動汽車的電池組安全性就會得到大幅度提升，充電時發生爆炸、著火的概率就會大幅度下降。鑑於目前高效電池均衡技術研發難度大、成本高、難以普及的現實，同時基於BMS管理後臺能夠監測單元電池最大充電電壓和控制整組電池充電電壓的實際，採用限制最大充電電壓的方法來提高電池組的運行安全性不失為一種簡單、有效的技術手段。
參考文獻
[1]周寶林,周全：一種具有雙向同步整流功能的轉移式實時電池均衡器
[2]周寶林,周全：轉移式電池均衡技術對電池電壓與荷電量影響的研究
[3]周寶林,周全：轉移式實時電池均衡技術對衰減電池組容量和溫升的影響
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