動(dòng)力鋰電池組安全與壽命問題研究
摘要：本文首次公開發(fā)表北京縱橫人和電子技術(shù)有限責(zé)任公司成組鋰動(dòng)力電池安全與壽命問題研究最新工作進(jìn)展，對(duì)影響電池安全的因素進(jìn)行了分析，提出了對(duì)可能出現(xiàn)的電池安全問題進(jìn)行預(yù)警，并通過在充電過程中對(duì)端電壓較低的單體電池進(jìn)行補(bǔ)流均衡充電，提高電池組使用壽命的技術(shù)方法。
關(guān)鍵詞：鋰動(dòng)力電池組；電源系統(tǒng)；BMS
1 引言
當(dāng)前動(dòng)力鋰電池電源系統(tǒng)發(fā)展的主要問題是：動(dòng)力電池成組后安全性和使用壽命顯著下降，甚至頻繁發(fā)生電池燃燒、爆炸等嚴(yán)重事故。造成上述問題的主要原因是動(dòng)力鋰電池成組技術(shù)、成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備研究滯后；實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)集成，為用戶提供動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)集成技術(shù)和產(chǎn)品，是解決當(dāng)前面臨的問題，推動(dòng)動(dòng)力鋰電池發(fā)展的重要課題。
目前，單體動(dòng)力鋰電池已經(jīng)基本具備推廣應(yīng)用條件，但現(xiàn)有的成組技術(shù)、成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備水平還不成熟。也就是說，單體動(dòng)力鋰電池基本解決了安全和壽命問題，推動(dòng)動(dòng)力鋰電池發(fā)展的關(guān)鍵是電池成組技術(shù)和BMS技術(shù)。
單體電池品質(zhì)決定了成組后動(dòng)力電池組的品質(zhì)。在動(dòng)力電池組應(yīng)用中，單體電池的性能一致性尤其重要，就目前單體電池生產(chǎn)工藝控制水平，通過對(duì)生產(chǎn)出來的電池按其實(shí)際性能進(jìn)行篩選、分組、裝配是目前的現(xiàn)實(shí)方法。目前，在工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用的篩選、分組方法，是基于化成后電池的少數(shù)幾個(gè)靜態(tài)參數(shù)，對(duì)電池進(jìn)行配組，配組參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)決定了配組完成時(shí)電池組各單體電池狀態(tài)一致性。在電池組使用中，電池組中各單體電池的狀態(tài)差異又會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來。電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)電池組的使用過程進(jìn)行管理，對(duì)電池組中各單體電池的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，可以在一定程度上維系電池組中各單體電池的狀態(tài)一致性，避免電池狀態(tài)差異造成電池組性能的加速衰退。動(dòng)力鋰電池發(fā)展需要電池生產(chǎn)工藝控制水平的提高，科學(xué)的電池篩選和配組方法及有效的電池管理系統(tǒng)共同推動(dòng)。
2 動(dòng)力鋰電池組安全和壽命概念
2.1 電池不安全的根本原因
當(dāng)電池某個(gè)部分發(fā)生偏差時(shí)，如內(nèi)部短路、大電流放電和過充電，就會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致電池體系的溫度增加。當(dāng)電池體系達(dá)到較高的溫度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致一系列副反應(yīng)，使電池產(chǎn)生熱破壞，由于電池中的液態(tài)電解質(zhì)易燃，因此最壞的情況下電池會(huì)著火[1]。
在非正常使用的情況下（如過充），鋰離子很可能在電池的負(fù)極表面得到電子，作為金屬鋰析出，并逐漸聚集成鋰枝晶，刺破隔膜，連通正負(fù)極，從而引起電池的內(nèi)部微短路。鋰離子電池采用的是高抗壓，高沸點(diǎn)的有機(jī)電解液。在短路、過充、高溫等非正常使用條件下，鋰離子電池內(nèi)部的溫度會(huì)升高，電解液可能分解成大量的氣體，會(huì)在密封的殼體內(nèi)產(chǎn)生比較大的氣壓。一旦這種氣壓大到足以沖破電池的外殼，就會(huì)發(fā)生破裂，甚至導(dǎo)致燃燒或者爆炸[2]
大功率充放電的大容量鋰動(dòng)力電池組，在苛刻的使用條件下更易誘發(fā)電池某個(gè)部分發(fā)生偏差，從而引發(fā)安全問題。
2.2 電池管理系統(tǒng)(BMS)的重要作用
理想的鋰動(dòng)力電池具有高度性能一致性，只要使用過程中不過充，不過放，就沒有安全問題，而實(shí)際情況是，手機(jī)電池出廠時(shí)質(zhì)量完全符合標(biāo)準(zhǔn)，但使用中卻有爆炸的事件發(fā)生，筆記本電腦用電池組也不斷有起火、爆炸及產(chǎn)品召回的報(bào)道。電池從產(chǎn)生直到壽命完結(jié)回收，都存在安全問題，即使在出廠時(shí)完全符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)，在使用過程中會(huì)從安全狀態(tài)演變到不安全狀態(tài)，質(zhì)量好的單體電池性能逐漸衰退而達(dá)到壽命極限，質(zhì)量不好的單體電池，在使用過程中其性能會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)各種不正常劣化衰退，進(jìn)入所擔(dān)心的不安全狀態(tài)。這是一個(gè)逐漸累積的變化過程。電池管理系統(tǒng)就不像有些電池生產(chǎn)企業(yè)說的那樣可有可無，而是必須要有，而且還要貫穿電池組應(yīng)用始終。電池管理系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外已有許多研究，并且開始在許多領(lǐng)域應(yīng)用，已經(jīng)能滿足一些市場(chǎng)的需要，鋰動(dòng)力電池的應(yīng)用對(duì)電池管理系統(tǒng)提出了更高的要求，保障動(dòng)力電池組的使用安全，是鋰動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的首要任務(wù)。
3 電池管理系統(tǒng)
一個(gè)典型的電池組充電平衡的管理系統(tǒng)，其工作方法是對(duì)連接好的串聯(lián)電池組充電的同時(shí)，檢測(cè)電池組中各個(gè)單體電池的端電壓，當(dāng)某單體電池的端電壓較高時(shí)，通過與該單體電池并聯(lián)的均衡電路對(duì)該電池進(jìn)行充電分流，降低該單體電池的充電速度和端電壓上升速度，使各單體電池端電壓趨于均衡一致，以此避免因串聯(lián)電池組中各單體電池的充放電特性的差異影響電池組的壽命。由于在充電分流時(shí)與單體電池并聯(lián)的均衡電路消耗部分充電電能，均衡電路發(fā)熱，均衡電路的均衡能力受到限制。對(duì)于大容量、大功率電池，大電流充電時(shí)，均衡電路的均衡能力不能滿足實(shí)際需要。
在電池的壽命后期，電池內(nèi)部性能逐漸劣化，按原有的放電限流值和恒流充電值進(jìn)行放電或充電，可能會(huì)發(fā)生過放、過充現(xiàn)象，導(dǎo)致電池內(nèi)阻等參數(shù)進(jìn)一步惡化，充電和放電過程中電池會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，現(xiàn)有的BMS雖然可以監(jiān)測(cè)電池溫度異常升高時(shí)切斷外部充電或放電通路，但此時(shí)電池本身已經(jīng)處于不安全狀態(tài)，切斷通路不能阻止電池內(nèi)部異常的電化學(xué)反應(yīng)過程，電池繼續(xù)發(fā)熱甚至爆炸的危險(xiǎn)依然存在。在電池溫度異常升高時(shí)，突然切斷放電通路，對(duì)于需要連續(xù)供電的設(shè)備，如電動(dòng)汽車，可能造成設(shè)備運(yùn)行的安全問題。
4 基于內(nèi)阻測(cè)量和狀態(tài)比較的電池管理系統(tǒng)
研究表明，隨電池充電-放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池容量下降，電池的內(nèi)阻增加，電池內(nèi)部性能劣化直至最終徹底失效的過程是一個(gè)逐漸累積的過程，電池組中的不一致性會(huì)加速電池組進(jìn)入不安全狀態(tài)。
本文提出了內(nèi)阻測(cè)量和狀態(tài)比較的電池管理系統(tǒng)，如圖１所示，以單片機(jī)為控制核心，在存儲(chǔ)器中預(yù)先存儲(chǔ)各單體電池在不同端電壓下的內(nèi)阻初始值和誤差允許值、充電過程中各單體電池在不同端電壓區(qū)段的端電壓上升速率和誤差允許值、累計(jì)充電量預(yù)定值、充電電壓范圍、放電電壓范圍、充電截止電壓值、放電截止電壓值、電池溫度范圍、充電電流值和充電電流誤差允許值、放電電流保護(hù)值、均衡啟動(dòng)電壓值、端電壓失衡值等參數(shù)。充電和放電過程中檢測(cè)充電和放電過程的各種參數(shù)，在每次充電過程前、充電過程中及充電結(jié)束后測(cè)量并記錄電池組中各單體電池的端電壓、端電壓上升速率、充電電流、充電量和電池內(nèi)阻，并與之前充電時(shí)測(cè)量和記錄的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析電池組的充電量及各單體電池的內(nèi)阻、端電壓、端電壓上升速率的變化量，判斷電池內(nèi)部性能逐漸劣化的過程和程度，對(duì)電池的失效及可能出現(xiàn)的安全問題予以預(yù)警。對(duì)充電和放電過程實(shí)施控制，實(shí)現(xiàn)充電和放電終止電壓保護(hù)，溫度保護(hù)，過流保護(hù)的的同時(shí)，在充電過程中，通過對(duì)端電壓較低的單體電池進(jìn)行補(bǔ)流均衡的方法，使串聯(lián)電池組中各單體電池端電壓一致，避免由于各單體電池狀態(tài)差異對(duì)電池組的壽命影響。
圖1 具有內(nèi)阻測(cè)量和狀態(tài)比較功能的電池管理系統(tǒng)示意圖
將系統(tǒng)用于10節(jié)20Ah串聯(lián)電池組測(cè)試，采用5A恒流充電，2A補(bǔ)流均衡，系統(tǒng)補(bǔ)流均衡效果十分明顯，沒有額外發(fā)熱量，還便于節(jié)能控制。
影響內(nèi)阻變化因素較多，特別是對(duì)電池組完整壽命周期內(nèi)的內(nèi)阻變化規(guī)律的研究，需要大量的實(shí)驗(yàn)，有關(guān)實(shí)驗(yàn)方案正在進(jìn)行中，包括了動(dòng)力電池組在模擬工況下放電的整個(gè)壽命過程的測(cè)試。
5 結(jié)論
在每次充電前、充電過程中和充電結(jié)束后檢測(cè)并記錄充電過程中電池充電量、端電壓、電流、內(nèi)阻、電池溫度、充電時(shí)間等參數(shù)，計(jì)算各參數(shù)的變化量和變化速率，并與預(yù)置的初始參數(shù)進(jìn)行比較，準(zhǔn)確判斷電池充電性能的變化程度，對(duì)可能出現(xiàn)的電池安全問題進(jìn)行預(yù)警，為充電電池的使用提供了高安全性保障。以電動(dòng)汽車為例，即使出現(xiàn)電池安全預(yù)警，駕駛?cè)藛T有至少數(shù)天的富余時(shí)間來維修處理，而不必馬上強(qiáng)制斷開。
在充電過程中對(duì)端電壓較低的單體電池進(jìn)行補(bǔ)流均衡充電，在減小各單體電池的狀態(tài)差異，提高電池組使用壽命的同時(shí)，避免了在充電均衡過程中均衡電路的發(fā)熱問題，從而大幅度提高了均衡能力，對(duì)大容量、大功率電池組的應(yīng)用具有顯著效果。
在充電過程中全面記錄每次充電過程中電池充電量、端電壓、電流、內(nèi)阻、電池溫度、充電時(shí)間等參數(shù)，從而記錄了充電電池整個(gè)壽命周期各項(xiàng)電參數(shù)的變化過程，為進(jìn)行電池組失效原因分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
感謝研究團(tuán)隊(duì)的所有研究人員共同努力完成了上述工作，也感謝中信國(guó)安等電池企業(yè)提供的新動(dòng)力電池樣品。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：
趙建和? 男? 漢族? 1962年9月生于中國(guó)吉林省長(zhǎng)春市。
大學(xué)期間，選擇光電子學(xué)專業(yè)，研究生期間，選擇半導(dǎo)體光電子器件及器件物理專業(yè)，論文內(nèi)容為半導(dǎo)體光雙穩(wěn)器件及超短光脈沖，在半導(dǎo)體所工作期間，課題為“半導(dǎo)體激光器失效機(jī)理分析”，在南光集團(tuán)工作期間，研究開發(fā)條形碼自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)，防偽識(shí)別證件管理系統(tǒng)等，在公安部直屬企業(yè)工作期間，從事偵聽技術(shù)設(shè)備研究，紅外夜視設(shè)備、保密通訊設(shè)備、防彈車輛等警用裝備研制開發(fā)，2000年以后，主要從事鋰電池組控制技術(shù)研究，內(nèi)容涉及軍用通訊用鋰電池組，電動(dòng)工具用鋰電池組，電動(dòng)自行車用鋰電池組，電動(dòng)汽車用鋰電池組安全與壽命技術(shù)研究，已獲發(fā)明專利兩項(xiàng)，實(shí)用新型專利八項(xiàng)。