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    電池知識

    分析鋰電池安全性及其監測技術

    來源:寶鄂實業    2019-10-17 22:28    點擊量:
    一、前言
    近年來,隨著各種混合動力汽車和電動汽車的發展,對汽車電池的性能要求越來越高。尤其是插電式混合動力汽車(phev)和電動汽車(ev)更是如此:與汽油混合動力汽車相比,對電池容量的要求更高,而對充放電損耗和自放電的要求則盡可能小。因此,鋰離子電池的地位越來越重要。
    研究報告顯示,2013年全球鋰離子電池市場規模為5670億日元。到2018年,其規模將增加163.8%,達到9282億日元。
    除了體積小、重量輕之外,鋰離子電池的標稱電壓為3.6伏,能量密度也很高(這意味著用更少的電池可以獲得相同的輸出電壓)。然而,從安全的角度出發,為了防止過充和過放電導致電池性能下降,有必要建立一個子系統(ic)來監測電池組中每個電池單元的電壓和溫度。同時,考慮到種子系統也可能發生故障,還需要獨立的并行系統來檢測系統的工作狀態。
    2.串聯電池的固有問題
    當串聯電池組中的電池數量增加到幾十個到幾百個時,串聯電池組的一個突出問題就是電池組的平衡問題。
    雖然鋰離子電池是一種大規模的工業生產產品,但在現有的生產環境中,所有電池電池都不能具有同樣的質量。例如,在制造過程中,電池電極纏繞時的張力變化會影響電池的劣化速度。另一方面,并不要求所有電池都應在同一環境中使用。在使用過程中,靠近熱源的細胞比遠離熱源的細胞降解速度快。
    問題是電池組中各電池的劣化速度隨使用時間的變化而不同,導致電池容量的偏差。
    電池組的整體性能也遵循“桶原理”(短板原理),即桶的容量取決于組成桶的所有板中最短的板,電池組的容量也取決于容量最小的電池單元。在電池充電過程中,一旦其中一個電池達到完全充電狀態,充電器將停止充電。電池組的放電過程相同:當某一電池單元放電完畢時,整個電池組也將停止放電。因此,整個電池組的充電容量降低,電池的容量無法充分利用。
    鋰電池安全監測技術分析
    讓我們以一個由三個電池組成的電池組為例:如果其中一個電池組出現快速老化。當電池組放電時,退化速度較快的電池將比其他兩個電池先放電完畢。如果放電繼續,電池處于過放電狀態。當鋰離子電池處于過放電狀態時,會產生冒煙和著火的可能性。為了防止事故的發生,只能在此時停止放電,也就是說,剩余的兩個電池中的剩余電能不能被利用。
    相反,當電池組開始充電時,降解速度較慢的兩個電池先充電,而降解速度較快的電池此時不充電。此時,如果快速劣化的電池單元繼續充電,則完全充電和慢速劣化的兩個電池單元處于過充電狀態。過充也會導致電池燃燒爆炸危險的發生。同樣,為了防止事故發生,當損壞的電池單元未完全充電時,電池組將停止充電。
    結果表明,在李離子電池中,正極材料成分為鋰鈷氧化物(Li 5COO2),當電池充滿電時,其處于脫鋰狀態,負極為插層鋰碳(LIC6)。鈷酸鋰在高溫下分解釋放氧氣,而鋰碳的化學反應性與金屬鋰基本相似。因此,如果發生燃燒,它基本上是相同的鋰金屬燃燒在富氧環境!這是件可怕的事。
    總而言之,當電池單元的劣化狀態偏離時,電池組的最大容量在充電和放電期間不能施加,甚至導致事故。從一個小地方看,我們經??吹绞謾C充電時發生爆炸事故的消息;從一個大地方看,被稱為“夢幻客機”的波音787在投入工廠航線時,曾一度陷入困境,其中一些故障可能是由于飛機使用的鋰離子電池的電池組平衡造成的。根據2015年5月初的一份報告,由于波音787的電源可能存在缺陷,美國聯邦航空管理局發布臨時命令,要求航空運營商為波音787執行“重復性維護任務”。具體原因目前還不清楚,但從波音787鋰離子電池的歷史問題來看,恐怕這次也是來自電池。
    因此,有必要隨時通過電池監測ic來監測串聯電池組中各電池單元的工作狀態。
    三、車載鋰離子電池監測系統要求
    目前,國外車載鋰離子電池監測系統所需的安全機制。第四,利用電池監控芯片發揮電池單元的最大作用。
    綜上所述,電池監控芯片的主要任務是
    一。測量蓄電池單元的電壓
    2.A/D轉換
    三。與單片機通信
    這三項任務的目的是完成電池監控IC最重要的任務:
    四。保持電池的平衡
    電池監控IC隨時監控分配給它的每個電池單元的端子電壓,并將測量結果傳送給MCU。單片機通過分析每個電池的電壓,分析電池平衡是否有偏差。當出現偏差時,單片機會向電池監控芯片發出指令,以保證電池單元的平衡。
    目前,保證細胞平衡的方法有兩種:被動平衡和主動平衡。
    無源均衡模式使用內置在電池監測IC中的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET),或外部附加MOSFET以熱的方式放電。
    采用被動方式建立電池平衡的優點是整個系統非常簡單,但缺點也非常大:強制放電的殘余能量會導致整個系統的能量效率低,這與電池盡量節約電能的主要目的背道而馳。
    主動均衡是將剩余的電能從一個小區轉移到另一個小區,以保持每個小區的均衡。其缺點是整個系統復雜,但同時又能提高系統的能量利用率。
    現在,許多鋰離子電池已經開始在電池上添加保護電路。例如,從編號方法來看,市場上的18650鋰離子電池(通常用于筆記本電腦)應該是65mm長/18mm直徑。事實上,由于增加了保護電路和在中間的各種保護措施,這種類型的電池已經被延長到大約68毫米。

    五、國外電池監視IC的研究

      現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,則強調大容量、低成本和較好的耐久性;醫療機關用的蓄電池則注重安全、安定性,而對成本方面則不太要求。