分析鋰電池安全性及其監(jiān)測(cè)技術(shù)
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-10-17 22:28
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一、前言
近年來，隨著各種混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的發(fā)展，對(duì)汽車電池的性能要求越來越高。尤其是插電式混合動(dòng)力汽車（phev）和電動(dòng)汽車（ev）更是如此：與汽油混合動(dòng)力汽車相比，對(duì)電池容量的要求更高，而對(duì)充放電損耗和自放電的要求則盡可能小。因此，鋰離子電池的地位越來越重要。
研究報(bào)告顯示，2013年全球鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模為5670億日元。到2018年，其規(guī)模將增加163.8%，達(dá)到9282億日元。
除了體積小、重量輕之外，鋰離子電池的標(biāo)稱電壓為3.6伏，能量密度也很高（這意味著用更少的電池可以獲得相同的輸出電壓）。然而，從安全的角度出發(fā)，為了防止過充和過放電導(dǎo)致電池性能下降，有必要建立一個(gè)子系統(tǒng)（ic）來監(jiān)測(cè)電池組中每個(gè)電池單元的電壓和溫度。同時(shí)，考慮到種子系統(tǒng)也可能發(fā)生故障，還需要獨(dú)立的并行系統(tǒng)來檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
2.串聯(lián)電池的固有問題
當(dāng)串聯(lián)電池組中的電池?cái)?shù)量增加到幾十個(gè)到幾百個(gè)時(shí)，串聯(lián)電池組的一個(gè)突出問題就是電池組的平衡問題。
雖然鋰離子電池是一種大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品，但在現(xiàn)有的生產(chǎn)環(huán)境中，所有電池電池都不能具有同樣的質(zhì)量。例如，在制造過程中，電池電極纏繞時(shí)的張力變化會(huì)影響電池的劣化速度。另一方面，并不要求所有電池都應(yīng)在同一環(huán)境中使用。在使用過程中，靠近熱源的細(xì)胞比遠(yuǎn)離熱源的細(xì)胞降解速度快。
問題是電池組中各電池的劣化速度隨使用時(shí)間的變化而不同，導(dǎo)致電池容量的偏差。
電池組的整體性能也遵循“桶原理”（短板原理），即桶的容量取決于組成桶的所有板中最短的板，電池組的容量也取決于容量最小的電池單元。在電池充電過程中，一旦其中一個(gè)電池達(dá)到完全充電狀態(tài)，充電器將停止充電。電池組的放電過程相同：當(dāng)某一電池單元放電完畢時(shí)，整個(gè)電池組也將停止放電。因此，整個(gè)電池組的充電容量降低，電池的容量無法充分利用。
鋰電池安全監(jiān)測(cè)技術(shù)分析
讓我們以一個(gè)由三個(gè)電池組成的電池組為例：如果其中一個(gè)電池組出現(xiàn)快速老化。當(dāng)電池組放電時(shí)，退化速度較快的電池將比其他兩個(gè)電池先放電完畢。如果放電繼續(xù)，電池處于過放電狀態(tài)。當(dāng)鋰離子電池處于過放電狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生冒煙和著火的可能性。為了防止事故的發(fā)生，只能在此時(shí)停止放電，也就是說，剩余的兩個(gè)電池中的剩余電能不能被利用。
相反，當(dāng)電池組開始充電時(shí)，降解速度較慢的兩個(gè)電池先充電，而降解速度較快的電池此時(shí)不充電。此時(shí)，如果快速劣化的電池單元繼續(xù)充電，則完全充電和慢速劣化的兩個(gè)電池單元處于過充電狀態(tài)。過充也會(huì)導(dǎo)致電池燃燒爆炸危險(xiǎn)的發(fā)生。同樣，為了防止事故發(fā)生，當(dāng)損壞的電池單元未完全充電時(shí)，電池組將停止充電。
結(jié)果表明，在李離子電池中，正極材料成分為鋰鈷氧化物（Li 5COO2），當(dāng)電池充滿電時(shí)，其處于脫鋰狀態(tài)，負(fù)極為插層鋰碳（LIC6）。鈷酸鋰在高溫下分解釋放氧氣，而鋰碳的化學(xué)反應(yīng)性與金屬鋰基本相似。因此，如果發(fā)生燃燒，它基本上是相同的鋰金屬燃燒在富氧環(huán)境！這是件可怕的事。
總而言之，當(dāng)電池單元的劣化狀態(tài)偏離時(shí)，電池組的最大容量在充電和放電期間不能施加，甚至導(dǎo)致事故。從一個(gè)小地方看，我們經(jīng)?？吹绞謾C(jī)充電時(shí)發(fā)生爆炸事故的消息；從一個(gè)大地方看，被稱為“夢(mèng)幻客機(jī)”的波音787在投入工廠航線時(shí)，曾一度陷入困境，其中一些故障可能是由于飛機(jī)使用的鋰離子電池的電池組平衡造成的。根據(jù)2015年5月初的一份報(bào)告，由于波音787的電源可能存在缺陷，美國聯(lián)邦航空管理局發(fā)布臨時(shí)命令，要求航空運(yùn)營商為波音787執(zhí)行“重復(fù)性維護(hù)任務(wù)”。具體原因目前還不清楚，但從波音787鋰離子電池的歷史問題來看，恐怕這次也是來自電池。
因此，有必要隨時(shí)通過電池監(jiān)測(cè)ic來監(jiān)測(cè)串聯(lián)電池組中各電池單元的工作狀態(tài)。
三、車載鋰離子電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求
目前，國外車載鋰離子電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的安全機(jī)制。第四，利用電池監(jiān)控芯片發(fā)揮電池單元的最大作用。
綜上所述，電池監(jiān)控芯片的主要任務(wù)是
一。測(cè)量蓄電池單元的電壓
2.A/D轉(zhuǎn)換
三。與單片機(jī)通信
這三項(xiàng)任務(wù)的目的是完成電池監(jiān)控IC最重要的任務(wù)：
四。保持電池的平衡
電池監(jiān)控IC隨時(shí)監(jiān)控分配給它的每個(gè)電池單元的端子電壓，并將測(cè)量結(jié)果傳送給MCU。單片機(jī)通過分析每個(gè)電池的電壓，分析電池平衡是否有偏差。當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)，單片機(jī)會(huì)向電池監(jiān)控芯片發(fā)出指令，以保證電池單元的平衡。
目前，保證細(xì)胞平衡的方法有兩種：被動(dòng)平衡和主動(dòng)平衡。
無源均衡模式使用內(nèi)置在電池監(jiān)測(cè)IC中的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），或外部附加MOSFET以熱的方式放電。
采用被動(dòng)方式建立電池平衡的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)非常簡單，但缺點(diǎn)也非常大：強(qiáng)制放電的殘余能量會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的能量效率低，這與電池盡量節(jié)約電能的主要目的背道而馳。
主動(dòng)均衡是將剩余的電能從一個(gè)小區(qū)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)小區(qū)，以保持每個(gè)小區(qū)的均衡。其缺點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜，但同時(shí)又能提高系統(tǒng)的能量利用率。
現(xiàn)在，許多鋰離子電池已經(jīng)開始在電池上添加保護(hù)電路。例如，從編號(hào)方法來看，市場(chǎng)上的18650鋰離子電池（通常用于筆記本電腦）應(yīng)該是65mm長/18mm直徑。事實(shí)上，由于增加了保護(hù)電路和在中間的各種保護(hù)措施，這種類型的電池已經(jīng)被延長到大約68毫米。
五、國外電池監(jiān)視IC的研究
現(xiàn)在各廠家都在降低成本的基礎(chǔ)上，努力提高能量密度和輸出密度。同時(shí)，根據(jù)電池的不同使用方式，盡量突出其特性。比如，車載蓄電池主要發(fā)展方向是小型化、高能量密度和能夠承受高速充放電；家庭生活用蓄電池，則強(qiáng)調(diào)大容量、低成本和較好的耐久性；醫(yī)療機(jī)關(guān)用的蓄電池則注重安全、安定性，而對(duì)成本方面則不太要求。
