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前言

近年来,随着各种混合动力汽车和电动车的发展,对车载蓄电池的性能要求越来越高。特别是插电式混合动力汽车(PHEV)和电动车(EV)更是这样:和汽油式混合动力汽车相比,对蓄电池容量的要求更高、而充放电损耗和自放电要求尽量小。因此,锂离子蓄电池的地位则越来越重要。

日本市场调查机构“富士经济”集团的研究报告表明:2013年,全世界锂离子蓄电池市场规模为5,670亿日元。而到2018年其规模则增大163.8%,达到9,282亿日元。

锂离子蓄电池除具有体积小、重量轻的特点之外,标称电压(Nominal Voltage)高达3.6伏特、能量密度很高(意味着可以用较少的电池单元获得同样的输出电压)。但是,从安全性的角度,以及为了防止过度充放电而带来的电池性能劣化,需要设置对电池组中的每个电池单元进行电压和温度进行监视的子系统(IC)。同时,考虑到这种子系统也有可能出现故障,还需要有检测该系统工作状态的独立并列系统。

一、串联电池组的固有问题

当串联电池组中电池单元数量增加到数十至上百个时,串联电池组的一个问题变得突出起来,这就是电池单元平衡问题。

虽然锂离子蓄电池为工业化大量生产的产品,但是,在现有的生产环境下,所有的电池单元不可能都具有相同的质量。比如,在制造过程中,电池单元的电极卷绕时的张力的变化,就会影响电池单元的劣化速度。另一方面,也不能要求在使用时,所有的电池组的使用环境完全相同。在使用过程中,离热源近的电池单元劣化较快,反之离热源远的电池单元劣化较慢。

由此而产生的问题是,电池组中的各单元随着使用时间的变化其劣化速度不同,导致电池单元的容量出现偏差。

电池组的总体性能也遵循着“木桶原则(短板原则)”,即木桶的容量取决于构成木桶的所有木板中最短的那一块,电池组的容量也取决于容量最小的那个电池单元。蓄电池在充电过程中,一旦电池单元中的某一个达到了充满电的状态之后,充电器就会停止充电。电池组的放电过程也是这样:当某个电池单元放电结束,则整个电池组也会停止放电。其结果,就是整个电池组充电容量下降,无法充分发挥电池的能力。

我们以一个由3只电池单元组成的电池组为例:假如其中一只电池单元的劣化较快。当这个电池组放电时,劣化较快的电池单元将会比其它两只电池单元先结束放电。如继续放电,该电池单元则处于过度放电状态。锂离子蓄电池在处于过度放电状态时,会产生冒烟和着火的可能性。为防止事故的发生,这时只能停止放电,也就是说,剩余的两只电池单元中残留的电能无法使用。

反之,当该电池组开始充电时,劣化较慢的两只电池单元先充满电;而劣化较快的电池单元这时并没有充满电。此时,如果以劣化较快的电池单元为准继续充电,则已充满电的两只劣化较慢的电池单元处于过度充电状态。过度充电同样会导致电池的燃烧、爆炸危险的发生。同样,为防止事故的发生,该电池组在劣化较快的电池单元没有充满电的状态下,就会结束充电。

研究表明,对于锂离子蓄电池来说,电池充满电时其正极的材料组成是脱锂态的钴酸锂(Li0.5CoO2),负极是嵌锂碳(LiC6)。钴酸锂在高温下会发生分解反应释放氧气,而嵌锂碳的化学反应活性基本上与金属锂相近。所以如果发生燃烧,那基本上就相当于金属锂在富氧环境中燃烧一样了!这是一件很可怕的事情。

综上所述,当电池单元的劣化状态出现偏差时,充电时和放电时都无法发挥电池组的最大能力,甚至引起事故。从小的地方说,经常看到手机在充电时发生爆炸事故的新闻;从大的地方讲,被称为“梦想客机”的波音787在出厂投入航线不长时间就不断出现故障,而其中有些故障有可能就是因为飞机使用的锂离子蓄电池的电池单元平衡出了问题。据2015年5月初的报道,因波音787可能在电力供应方面存在缺陷,美国联邦航空局下达一项临时指令,要求航空运营商对波音787客机进行“反复性的维护任务”。具体原因目前还不清楚,但从波音787锂离子蓄电池出问题的历史看,恐怕这次也是出自电池身上。

所以,通过电池监视IC随时监视串联电池组中各电池单元的工作状态就成为必要。

二、对车载锂离子蓄电池监视系统的要求

目前,国外对车载锂离子蓄电池监视系统所要求的安全机构,有如下构造:

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图1 混合动力汽车和电动车的驱动部分和电池监视系统的构成示例

一般的车载动力供应系统如图1所示。

由数十个至上百个电池单元串联形成电池组,对其负荷——变频器和电动机供电。因串联电池组的电压高达数十至数百伏,所以无法使用单独的电池监视系统对所有的电池单元进行监控。因此,一般每个电池监视系统(IC)同时监视8-16个电池单元。电池监视IC主要监视个电池单元的电压、温度和电池单元平衡等。

在车载电池监视系统中,电池监视IC并不对各电池单元的电压等的测定结果进行判断,而仅仅将测定信息提交给MCU(微机单元)。

各电池监视IC与MCU,构成电池监控单元。该单元综合电池电压、电流和温度信息,推算出电池的充电状态后传输给车载电脑系统,在这一层次控制对电池组的充放电动作。

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图2 评价电池监视IC测定精度的三种方法示例

所以,对电池单元进行电压测定,是电池监视IC重要的功能。相应地,对电池监视IC测定精度的评价也非常重要。图2为典型的用来评价电池监视IC测定精度的三种电路。

其中,A)电路为使用两组IC对同一组电池组进行冗余监视;B)为从外部提供一个标准电压源2用于确认IC的测定精度。C)为从内部产生该标准电压源。

在这里,A)方法能够增加冗余度,但同时也会增加系统的复杂程度;B)和C)这两种方法使用与A/D转换器的标准电压源1相独立的标准电压源2,将该电压进行A/D转换来评价IC的测定精度。

但是,对于这独立的标准电压源2,还要考虑到有可能出现由于同一个原因所引起的故障。比如,A/D转换器的标准电压源1与标准电压源2如果采用的是相同的电路,相同的电源和相同的负荷比,则各个电压源更有可能呈现出现相同的输出电压的变化趋势。其结果,使用这种方法无法检测出故障。为解决这个问题,最好的办法就是采用B)的方式,从电池监视IC外部提供独立的标准电压源2,但这样做有可能增加成本。所以,如何在采用C)方式的同时,保持标准电压源2相对于A/D转换器的标准电压源1的独立性,是一个重要的问题。比如说,作为保持独立性的手段,采用不同的电路等措施。这方面涉及到各电池厂家的内部秘密范畴,本文在此割爱。

 

三、使用电池监视IC发挥电池单元的最大作用

综上所述,电池监视IC的主要任务是

1. 测定电池单元的电压

2. A/D转换

3. 与MCU通信

执行这三项任务的目的,是完成电池监视IC的最主要的任务:

4. 保持电池单元的平衡

电池监视IC随时监视分配给自己的各电池单元的端点电压,并将测定结果传送到MCU处。MCU则通过解析各电池单元的电压,分析这些电池单元之间蓄电容量也就是电池单元平衡是否出现偏差。如果出现偏差,则MCU对电池监视IC下达指示,确保电池单元的平衡。

目前,确保电池单元平衡的方式有被动均衡方式(Passive balance)和主动均衡方式(Active balance)两种。

被动均衡方式使用在电池监视IC中构建的金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect

Transistor,MOSFET),或在外部追加的MOSFET以热能方式进行放电。

通过被动方式建立电池单元平衡的优点是整个系统非常简洁,但缺点也很大:将剩余能量强制放电会引起整个系统的能量效率低下,和蓄电池尽量保存电能这一主旨背道而驰。

主动均衡方式是将某个电池单元中剩余的电能转移到其它的电池单元,从而保持各单元的均等化。其缺点是整个系统比较复杂,但同时可以提高这个系统的能量利用率。

现在,很多锂离子蓄电池中已经开始在电池中加入保护电路。比如市场常见的18650型锂离子蓄电池(笔记本电脑中经常使用这种型号的电池),从编号方式来看应该是长65mm/直径18mm,可实际上,最近的这种型号的电池,因为中间增加了保护电路和各种保护措施,所以长度加长到68mm左右。

现在国外推出的电池监视IC有:

Linear Technology公司推出的LTC3300-1高效率双向电池监视IC

Freescale公司推出的面向工业和汽车的可控制14组电池单元的电池监视IC——MC33771

O2Micro International Limited(凹凸科技)公司推出的电池管理单元(BMU)和电量计量芯片等

另外还有罗姆(ROHM Semiconducto)公司另辟蹊径,开发的电子双电层电容器(EDLC,Electric Double

Layer Capacitor)以及与其配套的监视IC——BD14000EFV-C等。

四、国外电池监视IC的研究

现在各厂家都在降低成本的基础上,努力提高能量密度和输出密度。同时,根据电池的不同使用方式,尽量突出其特性。比如,车载蓄电池主要发展方向是小型化、高能量密度和能够承受高速充放电;家庭生活用蓄电池,则强调大容量、低成本和较好的耐久性;医疗机关用的蓄电池则注重安全、安定性,而对成本方面则不太要求。

在日本,2010年锂离子蓄电池的单位容量成本为20-30万日元/kWh,2015年此成本降到3万日元左右,而2020年的目标是1万日元前后。这个数值相当于使用铅蓄电池或抽水发电系统的单位容量成本。一旦实现这个目标,将有可能改变整个社会的电力存储结构。

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