動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)有限責任公司成組鋰動力電池安全與壽命問題研究最新工作進展，對影響電池安全的因素進行了分析，提出了對可能出現(xiàn)的電池安全問題進行預警，并通過在充電過程中對端電壓較低的單體電池進行補流均衡充電，提高電池組使用壽命的技術(shù)方法。

關(guān)鍵詞：鋰動力電池組；電源系統(tǒng)；BMS

1引言

當前動力鋰電池電源系統(tǒng)發(fā)展的主要問題是：動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、爆炸等嚴重事故。造成上述問題的主要原因是動力鋰電池成組技術(shù)、成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備研究滯后；實現(xiàn)動力鋰電池系統(tǒng)集成，為用戶提供動力鋰電池系統(tǒng)集成技術(shù)和產(chǎn)品，是解決當前面臨的問題，推動動力鋰電池發(fā)展的重要課題。

目前，單體動力鋰電池已經(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，單體動力鋰電池基本解決了安全和壽命問題，推動動力鋰電池發(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)決定了成組后動力電池組的品質(zhì)。在動力電池組應(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，通過對生產(chǎn)出來的電池按其實際性能進行篩選、分組、裝配是目前的現(xiàn)實方法。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)幾個靜態(tài)參數(shù)，對電池進行配組，配組參數(shù)控制標準決定了配組完成時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)差異又會逐漸顯現(xiàn)出來。電池管理系統(tǒng)（BMS）對電池組的使用過程進行管理，對電池組中各單體電池的狀態(tài)進行調(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。

2動力鋰電池組安全和壽命概念

2.1電池不安全的根本原因

當電池某個部分發(fā)生偏差時，如內(nèi)部短路、大電流放電和過充電，就會產(chǎn)生大量的熱，導致電池體系的溫度增加。當電池體系達到較高的溫度時，就會導致一系列副反應(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，高沸點的有機電解液。在短路、過充、高溫等非正常使用條件下，鋰離子電池內(nèi)部的溫度會升高，電解液可能分解成大量的氣體，會在密封的殼體內(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，就會發(fā)生破裂，甚至導致燃燒或者爆炸[2]

大功率充放電的大容量鋰動力電池組，在苛刻的使用條件下更易誘發(fā)電池某個部分發(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，而實際情況是，手機電池出廠時質(zhì)量完全符合標準，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，即使在出廠時完全符合國際安全標準，在使用過程中會從安全狀態(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陸續(xù)出現(xiàn)各種不正常劣化衰退，進入所擔心的不安全狀態(tài)。這是一個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)能滿足一些市場的需要，鋰動力電池的應(yīng)用對電池管理系統(tǒng)提出了更高的要求，保障動力電池組的使用安全，是鋰動力電池管理系統(tǒng)的首要任務(wù)。

3電池管理系統(tǒng)

一個典型的電池組充電平衡的管理系統(tǒng)，其工作方法是對連接好的串聯(lián)電池組充電的同時，檢測電池組中各個單體電池的端電壓，當某單體電池的端電壓較高時，通過與該單體電池并聯(lián)的均衡電路對該電池進行充電分流，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。對于大容量、大功率電池，大電流充電時，均衡電路的均衡能力不能滿足實際需要。

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行放電或充電，可能會發(fā)生過放、過充現(xiàn)象，導致電池內(nèi)阻等參數(shù)進一步惡化，充電和放電過程中電池會嚴重發(fā)熱，現(xiàn)有的BMS雖然可以監(jiān)測電池溫度異常升高時切斷外部充電或放電通路，但此時電池本身已經(jīng)處于不安全狀態(tài)，切斷通路不能阻止電池內(nèi)部異常的電化學反應(yīng)過程，電池繼續(xù)發(fā)熱甚至爆炸的危險依然存在。在電池溫度異常升高時，突然切斷放電通路，對于需要連續(xù)供電的設(shè)備，如電動汽車，可能造成設(shè)備運行的安全問題。

4基于內(nèi)阻測量和狀態(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逐漸累積的過程，電池組中的不一致性會加速電池組進入不安全狀態(tài)。

本文提出了內(nèi)阻測量和狀態(tài)比較的電池管理系統(tǒng)，如圖１所示，以單片機為控制核心，在存儲器中預先存儲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、累計充電量預定值、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、放電電流保護值、均衡啟動電壓值、端電壓失衡值等參數(shù)。充電和放電過程中檢測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，并與之前充電時測量和記錄的參數(shù)進行對比，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，對電池的失效及可能出現(xiàn)的安全問題予以預警。對充電和放電過程實施控制，實現(xiàn)充電和放電終止電壓保護，溫度保護，過流保護的的同時，在充電過程中，通過對端電壓較低的單體電池進行補流均衡的方法，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)差異對電池組的壽命影響。