分析锂电池安全性及其监测技术

来源：宝鄂实业 2019-10-17 22:28 点击量：次

一、前言

近年来，随着各种混合动力汽车和电动汽车的发展，对汽车电池的性能要求越来越高。尤其是插电式混合动力汽车（phev）和电动汽车（ev）更是如此：与汽油混合动力汽车相比，对电池容量的要求更高，而对充放电损耗和自放电的要求则尽可能小。因此，锂离子电池的地位越来越重要。

研究报告显示，2013年全球锂离子电池市场规模为5670亿日元。到2018年，其规模将增加163.8%，达到9282亿日元。

除了体积小、重量轻之外，锂离子电池的标称电压为3.6伏，能量密度也很高（这意味着用更少的电池可以获得相同的输出电压）。然而，从安全的角度出发，为了防止过充和过放电导致电池性能下降，有必要建立一个子系统（ic）来监测电池组中每个电池单元的电压和温度。同时，考虑到种子系统也可能发生故障，还需要独立的并行系统来检测系统的工作状态。

2.串联电池的固有问题

当串联电池组中的电池数量增加到几十个到几百个时，串联电池组的一个突出问题就是电池组的平衡问题。

虽然锂离子电池是一种大规模的工业生产产品，但在现有的生产环境中，所有电池电池都不能具有同样的质量。例如，在制造过程中，电池电极缠绕时的张力变化会影响电池的劣化速度。另一方面，并不要求所有电池都应在同一环境中使用。在使用过程中，靠近热源的细胞比远离热源的细胞降解速度快。

问题是电池组中各电池的劣化速度随使用时间的变化而不同，导致电池容量的偏差。

电池组的整体性能也遵循“桶原理”（短板原理），即桶的容量取决于组成桶的所有板中最短的板，电池组的容量也取决于容量最小的电池单元。在电池充电过程中，一旦其中一个电池达到完全充电状态，充电器将停止充电。电池组的放电过程相同：当某一电池单元放电完毕时，整个电池组也将停止放电。因此，整个电池组的充电容量降低，电池的容量无法充分利用。

锂电池安全监测技术分析

让我们以一个由三个电池组成的电池组为例：如果其中一个电池组出现快速老化。当电池组放电时，退化速度较快的电池将比其他两个电池先放电完毕。如果放电继续，电池处于过放电状态。当锂离子电池处于过放电状态时，会产生冒烟和着火的可能性。为了防止事故的发生，只能在此时停止放电，也就是说，剩余的两个电池中的剩余电能不能被利用。

相反，当电池组开始充电时，降解速度较慢的两个电池先充电，而降解速度较快的电池此时不充电。此时，如果快速劣化的电池单元继续充电，则完全充电和慢速劣化的两个电池单元处于过充电状态。过充也会导致电池燃烧爆炸危险的发生。同样，为了防止事故发生，当损坏的电池单元未完全充电时，电池组将停止充电。

结果表明，在李离子电池中，正极材料成分为锂钴氧化物（Li 5COO2），当电池充满电时，其处于脱锂状态，负极为插层锂碳（LIC6）。钴酸锂在高温下分解释放氧气，而锂碳的化学反应性与金属锂基本相似。因此，如果发生燃烧，它基本上是相同的锂金属燃烧在富氧环境！这是件可怕的事。

总而言之，当电池单元的劣化状态偏离时，电池组的最大容量在充电和放电期间不能施加，甚至导致事故。从一个小地方看，我们经常看到手机充电时发生爆炸事故的消息；从一个大地方看，被称为“梦幻客机”的波音787在投入工厂航线时，曾一度陷入困境，其中一些故障可能是由于飞机使用的锂离子电池的电池组平衡造成的。根据2015年5月初的一份报告，由于波音787的电源可能存在缺陷，美国联邦航空管理局发布临时命令，要求航空运营商为波音787执行“重复性维护任务”。具体原因目前还不清楚，但从波音787锂离子电池的历史问题来看，恐怕这次也是来自电池。

因此，有必要随时通过电池监测ic来监测串联电池组中各电池单元的工作状态。

三、车载锂离子电池监测系统要求

目前，国外车载锂离子电池监测系统所需的安全机制。第四，利用电池监控芯片发挥电池单元的最大作用。

综上所述，电池监控芯片的主要任务是

一。测量蓄电池单元的电压

2.A/D转换

三。与单片机通信

这三项任务的目的是完成电池监控IC最重要的任务：

四。保持电池的平衡

电池监控IC随时监控分配给它的每个电池单元的端子电压，并将测量结果传送给MCU。单片机通过分析每个电池的电压，分析电池平衡是否有偏差。当出现偏差时，单片机会向电池监控芯片发出指令，以保证电池单元的平衡。

目前，保证细胞平衡的方法有两种：被动平衡和主动平衡。

无源均衡模式使用内置在电池监测IC中的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），或外部附加MOSFET以热的方式放电。