揭秘電動汽車電池起火原因 電池安全性及其監(jiān)測技術(shù)知多少

一、前言

近年來，隨著各種混合動力汽車和電動車的發(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力汽車(PHEV)和電動車(EV)更是這樣：和汽油式混合動力汽車相比，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)查機構(gòu)“富士經(jīng)濟”集團的研究報告表明：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%，達到9,282億日元。

鋰離子蓄電池除具有體積小、重量輕的特點之外，標稱電壓(Nominal Voltage)高達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，需要設置對電池組中的每個電池單元進行電壓和溫度進行監(jiān)視的子系統(tǒng)(IC)。同時，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)的獨立并列系統(tǒng)。

二、串聯(lián)電池組的固有問題

當串聯(lián)電池組中電池單元數(shù)量增加到數(shù)十至上百個時，串聯(lián)電池組的一個問題變得突出起來，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的張力的變化，就會影響電池單元的劣化速度。另一方面，也不能要求在使用時，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間的變化其劣化速度不同，導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電池單元。蓄電池在充電過程中，一旦電池單元中的某一個達到了充滿電的狀態(tài)之后，充電器就會停止充電。電池組的放電過程也是這樣：當某個電池單元放電結(jié)束，則整個電池組也會停止放電。其結(jié)果，就是整個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。當這個電池組放電時，劣化較快的電池單元將會比其它兩只電池單元先結(jié)束放電。如繼續(xù)放電，該電池單元則處于過度放電狀態(tài)。鋰離子蓄電池在處于過度放電狀態(tài)時，會產(chǎn)生冒煙和著火的可能性。為防止事故的發(fā)生，這時只能停止放電，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，當該電池組開始充電時，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并沒有充滿電。此時，如果以劣化較快的電池單元為準繼續(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)。過度充電同樣會導致電池的燃燒、爆炸危險的發(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，電池充滿電時其正極的材料組成是脫鋰態(tài)的鈷酸鋰(Li0.5CoO2)，負極是嵌鋰碳(LiC6)。鈷酸鋰在高溫下會發(fā)生分解反應釋放氧氣，而嵌鋰碳的化學反應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，當電池單元的劣化狀態(tài)出現(xiàn)偏差時，充電時和放電時都無法發(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在充電時發(fā)生爆炸事故的新聞;從大的地方講，被稱為“夢想客機”的波音787在出廠投入航線不長時間就不斷出現(xiàn)故障，而其中有些故障有可能就是因為飛機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月初的報道，因波音787可能在電力供應方面存在缺陷，美國聯(lián)邦航空局下達一項臨時指令，要求航空運營商對波音787客機進行“反復性的維護任務”。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)所要求的安全機構(gòu)，有如下構(gòu)造：

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

一般的車載動力供應系統(tǒng)如圖1所示。

由數(shù)十個至上百個電池單元串聯(lián)形成電池組，對其負荷——變頻器和電動機供電。因串聯(lián)電池組的電壓高達數(shù)十至數(shù)百伏，所以無法使用單獨的電池監(jiān)視系統(tǒng)對所有的電池單元進行監(jiān)控。因此，一般每個電池監(jiān)視系統(tǒng)(IC)同時監(jiān)視8-16個電池單元。電池監(jiān)視IC主要監(jiān)視個電池單元的電壓、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)果進行判斷，而僅僅將測定信息提交給MCU(微機單元)。

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作。

圖2 評價電池監(jiān)視IC測定精度的三種方法示例

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

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

在這里，A)方法能夠增加冗余度，但同時也會增加系統(tǒng)的復雜程度;B)和C)這兩種方法使用與A/D轉(zhuǎn)換器的標準電壓源1相獨立的標準電壓源2，將該電壓進行A/D轉(zhuǎn)換來評價IC的測定精度。

但是，對于這獨立的標準電壓源2，還要考慮到有可能出現(xiàn)由于同一個原因所引起的故障。比如，A/D轉(zhuǎn)換器的標準電壓源1與標準電壓源2如果采用的是相同的電路，相同的電源和相同的負荷比，則各個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外部提供獨立的標準電壓源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，保持標準電壓源2相對于A/D轉(zhuǎn)換器的標準電壓源1的獨立性，是一個重要的問題。比如說，作為保持獨立性的手段，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)行這三項任務的目的，是完成電池監(jiān)視IC的最主要的任務：

4. 保持電池單元的平衡

電池監(jiān)視IC隨時監(jiān)視分配給自己的各電池單元的端點電壓，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均衡方式(Passive balance)和主動均衡方式(Active balance)兩種。

被動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-Effect

Transistor，MOSFET)，或在外部追加的MOSFET以熱能方式進行放電。

通過被動方式建立電池單元平衡的優(yōu)點是整個系統(tǒng)非常簡潔，但缺點也很大：將剩余能量強制放電會引起整個系統(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。

主動均衡方式是將某個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。其缺點是整個系統(tǒng)比較復雜，但同時可以提高這個系統(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)常使用這種型號的電池)，從編號方式來看應該是長65mm/直徑18mm，可實際上，最近的這種型號的電池，因為中間增加了保護電路和各種保護措施，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 Double

Layer 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上，努力提高能量密度和輸出密度。同時，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，則強調(diào)大容量、低成本和較好的耐久性;醫(yī)療機關(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年的目標是1萬日元前后。這個數(shù)值相當于使用鉛蓄電池或抽水發(fā)電系統(tǒng)的單位容量成本。一旦實現(xiàn)這個目標，將有可能改變整個社會的電力存儲結(jié)構(gòu)。