解析電池安全性及其監(jiān)測技術(shù)

　　一、前言

　　近年來，隨著各種混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)車的發(fā)展，對車載蓄電池的性能要求越來越高。特別是插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）和電動(dòng)車（EV）更是這樣：和汽油式混合動(dòng)力汽車相比，對蓄電池容量的要求更高、而充放電損耗和自放電要求盡量小。因此，鋰離子蓄電池的地位則越來越重要。

　　日本市場調(diào)查機(jī)構(gòu)“富士經(jīng)濟(jì)”集團(tuán)的研究報(bào)告表明：2013年，全世界鋰離子蓄電池市場規(guī)模為5，670億日元。而到2018年其規(guī)模則增大163.8%，達(dá)到9，282億日元。

　　鋰離子蓄電池除具有體積小、重量輕的特點(diǎn)之外，標(biāo)稱電壓（Nominal Voltage） 高達(dá)3.6伏特、能量密度很高（意味著可以用較少的電池單元獲得同樣的輸出電壓）。但是，從安全性的角度，以及為了防止過度充放電而帶來的電池性能劣化，需要設(shè)置對電池組中的每個(gè)電池單元進(jìn)行電壓和溫度進(jìn)行監(jiān)視的子系統(tǒng)（IC）。同時(shí)，考慮到這種子系統(tǒng)也有可能出現(xiàn)故障，還需要有檢測該系統(tǒng)工作狀態(tài)的獨(dú)立并列系統(tǒng)。

　　二、串聯(lián)電池組的固有問題

　　當(dāng)串聯(lián)電池組中電池單元數(shù)量增加到數(shù)十至上百個(gè)時(shí)，串聯(lián)電池組的一個(gè)問題變得突出起來，這就是電池單元平衡問題。

　　雖然鋰離子蓄電池為工業(yè)化大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，但是，在現(xiàn)有的生產(chǎn)環(huán)境下，所有的電池單元不可能都具有相同的質(zhì)量。比如，在制造過程中，電池單元的電極卷繞時(shí)的張力的變化，就會(huì)影響電池單元的劣化速度。另一方面，也不能要求在使用時(shí)，所有的電池組的使用環(huán)境完全相同。在使用過程中，離熱源近的電池單元劣化較快，反之離熱源遠(yuǎn)的電池單元劣化較慢。

　　由此而產(chǎn)生的問題是，電池組中的各單元隨著使用時(shí)間的變化其劣化速度不同，導(dǎo)致電池單元的容量出現(xiàn)偏差。

　　電池組的總體性能也遵循著“木桶原則（短板原則）”，即木桶的容量取決于構(gòu)成木桶的所有木板中最短的那一塊，電池組的容量也取決于容量最小的那個(gè)電池單元。蓄電池在充電過程中，一旦電池單元中的某一個(gè)達(dá)到了充滿電的狀態(tài)之后，充電器就會(huì)停止充電。電池組的放電過程也是這樣：當(dāng)某個(gè)電池單元放電結(jié)束，則整個(gè)電池組也會(huì)停止放電。其結(jié)果，就是整個(gè)電池組充電容量下降，無法充分發(fā)揮電池的能力。

　　我們以一個(gè)由3只電池單元組成的電池組為例：假如其中一只電池單元的劣化較快。當(dāng)這個(gè)電池組放電時(shí)，劣化較快的電池單元將會(huì)比其它兩只電池單元先結(jié)束放電。如繼續(xù)放電，該電池單元?jiǎng)t處于過度放電狀態(tài)。鋰離子蓄電池在處于過度放電狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生冒煙和著火的可能性。為防止事故的發(fā)生，這時(shí)只能停止放電，也就是說，剩余的兩只電池單元中殘留的電能無法使用。

　　反之，當(dāng)該電池組開始充電時(shí)，劣化較慢的兩只電池單元先充滿電;而劣化較快的電池單元這時(shí)并沒有充滿電。此時(shí)，如果以劣化較快的電池單元為準(zhǔn)繼續(xù)充電，則已充滿電的兩只劣化較慢的電池單元處于過度充電狀態(tài)。過度充電同樣會(huì)導(dǎo)致電池的燃燒、爆炸危險(xiǎn)的發(fā)生。同樣，為防止事故的發(fā)生，該電池組在劣化較快的電池單元沒有充滿電的狀態(tài)下，就會(huì)結(jié)束充電。

　　研究表明，對于鋰離子蓄電池來說，電池充滿電時(shí)其正極的材料組成是脫鋰態(tài)的鈷酸鋰（Li0.5CoO2），負(fù)極是嵌鋰碳（LiC6）。鈷酸鋰在高溫下會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)釋放氧氣，而嵌鋰碳的化學(xué)反應(yīng)活性基本上與金屬鋰相近。所以如果發(fā)生燃燒，那基本上就相當(dāng)于金屬鋰在富氧環(huán)境中燃燒一樣了！這是一件很可怕的事情。

　　綜上所述，當(dāng)電池單元的劣化狀態(tài)出現(xiàn)偏差時(shí)，充電時(shí)和放電時(shí)都無法發(fā)揮電池組的最大能力，甚至引起事故。從小的地方說，經(jīng)?？吹绞謾C(jī)在充電時(shí)發(fā)生爆炸事故的新聞;從大的地方講，被稱為“夢想客機(jī)”的波音787在出廠投入航線不長時(shí)間就不斷出現(xiàn)故障，而其中有些故障有可能就是因?yàn)轱w機(jī)使用的鋰離子蓄電池的電池單元平衡出了問題。據(jù)2015年5月初的報(bào)道，因波音787可能在電力供應(yīng)方面存在缺陷，美國聯(lián)邦航空局下達(dá)一項(xiàng)臨時(shí)指令，要求航空運(yùn)營商對波音787客機(jī)進(jìn)行“反復(fù)性的維護(hù)任務(wù)”。具體原因目前還不清楚，但從波音787鋰離子蓄電池出問題的歷史看，恐怕這次也是出自電池身上。

　　所以，通過電池監(jiān)視IC隨時(shí)監(jiān)視串聯(lián)電池組中各電池單元的工作狀態(tài)就成為必要。

　　三、對車載鋰離子蓄電池監(jiān)視系統(tǒng)的要求

　　目前，國外對車載鋰離子蓄電池監(jiān)視系統(tǒng)所要求的安全機(jī)構(gòu)，有如下構(gòu)造：

　　圖1 混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)部分和電池監(jiān)視系統(tǒng)的構(gòu)成示例

　　一般的車載動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)如圖1所示。

　　由數(shù)十個(gè)至上百個(gè)電池單元串聯(lián)形成電池組，對其負(fù)荷——變頻器和電動(dòng)機(jī)供電。因串聯(lián)電池組的電壓高達(dá)數(shù)十至數(shù)百伏，所以無法使用單獨(dú)的電池監(jiān)視系統(tǒng)對所有的電池單元進(jìn)行監(jiān)控。因此，一般每個(gè)電池監(jiān)視系統(tǒng)（IC）同時(shí)監(jiān)視8-16個(gè)電池單元。電池監(jiān)視IC主要監(jiān)視個(gè)電池單元的電壓、溫度和電池單元平衡等。

　　在車載電池監(jiān)視系統(tǒng)中，電池監(jiān)視IC并不對各電池單元的電壓等的測定結(jié)果進(jìn)行判斷，而僅僅將測定信息提交給MCU（微機(jī)單元）。

　　各電池監(jiān)視IC與MCU，構(gòu)成電池監(jiān)控單元。該單元綜合電池電壓、電流和溫度信息，推算出電池的充電狀態(tài)后傳輸給車載電腦系統(tǒng)，在這一層次控制對電池組的充放電動(dòng)作。

　　圖2 評價(jià)電池監(jiān)視IC測定精度的三種方法示例

　　所以，對電池單元進(jìn)行電壓測定，是電池監(jiān)視IC重要的功能。相應(yīng)地，對電池監(jiān)視IC測定精度的評價(jià)也非常重要。圖2為典型的用來評價(jià)電池監(jiān)視IC測定精度的三種電路。

　　其中，A）電路為使用兩組IC對同一組電池組進(jìn)行冗余監(jiān)視;B）為從外部提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓源2用于確認(rèn)IC的測定精度。C）為從內(nèi)部產(chǎn)生該標(biāo)準(zhǔn)電壓源。

　　在這里，A）方法能夠增加冗余度，但同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度;B）和C）這兩種方法使用與A/D轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)電壓源1相獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)電壓源2，將該電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換來評價(jià)IC的測定精度。

　　但是，對于這獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)電壓源2，還要考慮到有可能出現(xiàn)由于同一個(gè)原因所引起的故障。比如，A/D轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)電壓源1與標(biāo)準(zhǔn)電壓源2如果采用的是相同的電路，相同的電源和相同的負(fù)荷比，則各個(gè)電壓源更有可能呈現(xiàn)出現(xiàn)相同的輸出電壓的變化趨勢。其結(jié)果，使用這種方法無法檢測出故障。為解決這個(gè)問題，最好的辦法就是采用B）的方式，從電池監(jiān)視IC外部提供獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)電壓源2，但這樣做有可能增加成本。所以，如何在采用C）方式的同時(shí)，保持標(biāo)準(zhǔn)電壓源2相對于A/D轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)電壓源1的獨(dú)立性，是一個(gè)重要的問題。比如說，作為保持獨(dú)立性的手段，采用不同的電路等措施。這方面涉及到各電池廠家的內(nèi)部秘密范疇，本文在此割愛。

　　四、使用電池監(jiān)視IC發(fā)揮電池單元的最大作用

　　綜上所述，電池監(jiān)視IC的主要任務(wù)是

　　1. 測定電池單元的電壓

　　2. A/D轉(zhuǎn)換

　　3. 與MCU通信

　　執(zhí)行這三項(xiàng)任務(wù)的目的，是完成電池監(jiān)視IC的最主要的任務(wù)：

　　4. 保持電池單元的平衡

　　電池監(jiān)視IC隨時(shí)監(jiān)視分配給自己的各電池單元的端點(diǎn)電壓，并將測定結(jié)果傳送到MCU處。MCU則通過解析各電池單元的電壓，分析這些電池單元之間蓄電容量也就是電池單元平衡是否出現(xiàn)偏差。如果出現(xiàn)偏差，則MCU對電池監(jiān)視IC下達(dá)指示，確保電池單元的平衡。

　　目前，確保電池單元平衡的方式有被動(dòng)均衡方式（Passive balance）和主動(dòng)均衡方式（Active balance）兩種。

　　被動(dòng)均衡方式使用在電池監(jiān)視IC中構(gòu)建的金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET），或在外部追加的MOSFET以熱能方式進(jìn)行放電。

　　通過被動(dòng)方式建立電池單元平衡的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)非常簡潔，但缺點(diǎn)也很大：將剩余能量強(qiáng)制放電會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的能量效率低下，和蓄電池盡量保存電能這一主旨背道而馳。

　　主動(dòng)均衡方式是將某個(gè)電池單元中剩余的電能轉(zhuǎn)移到其它的電池單元，從而保持各單元的均等化。其缺點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，但同時(shí)可以提高這個(gè)系統(tǒng)的能量利用率。

　　現(xiàn)在，很多鋰離子蓄電池中已經(jīng)開始在電池中加入保護(hù)電路。比如市場常見的18650型鋰離子蓄電池（筆記本電腦中經(jīng)常使用這種型號(hào)的電池），從編號(hào)方式來看應(yīng)該是長65mm/直徑18mm，可實(shí)際上，最近的這種型號(hào)的電池，因?yàn)橹虚g增加了保護(hù)電路和各種保護(hù)措施，所以長度加長到 68mm左右。

　　現(xiàn)在國外推出的電池監(jiān)視IC有：

　　Linear Technology公司推出的LTC3300-1高效率雙向電池監(jiān)視IC

　　Freescale公司推出的面向工業(yè)和汽車的可控制14組電池單元的電池監(jiān)視IC——MC33771

　　O2Micro International Limited（凹凸科技）公司推出的電池管理單元（BMU）和電量計(jì)量芯片等

　　另外還有羅姆（ROHM Semiconducto）公司另辟蹊徑，開發(fā)的電子雙電層電容器（EDLC，Electric DoubleLayer Capacitor）以及與其配套的監(jiān)視IC——BD14000EFV-C等。

　　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，而對成本方面則不太要求。

　　在日本，2010年鋰離子蓄電池的單位容量成本為20-30萬日元/kWh，2015年此成本降到3萬日元左右，而2020年的目標(biāo)是1萬日元前后。這個(gè)數(shù)值相當(dāng)于使用鉛蓄電池或抽水發(fā)電系統(tǒng)的單位容量成本。一旦實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，將有可能改變整個(gè)社會(huì)的電力存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。