動力鋰電池組安全與壽命問題研究
摘要：本文首次公開發表北京縱橫人和電子技術有限責任公司成組鋰動力電池安全與壽命問題研究最新工作進展，對影響電池安全的因素進行了分析，提出了對可能出現的電池安全問題進行預警，并通過在充電過程中對端電壓較低的單體電池進行補流均衡充電，提高電池組使用壽命的技術方法。
關鍵詞：鋰動力電池組；電源系統；BMS
1 引言
當前動力鋰電池電源系統發展的主要問題是：動力電池成組后安全性和使用壽命顯著下降，甚至頻繁發生電池燃燒、爆炸等嚴重事故。造成上述問題的主要原因是動力鋰電池成組技術、成組應用技術和設備研究滯后；實現動力鋰電池系統集成，為用戶提供動力鋰電池系統集成技術和產品，是解決當前面臨的問題，推動動力鋰電池發展的重要課題。
目前，單體動力鋰電池已經基本具備推廣應用條件，但現有的成組技術、成組應用技術和設備水平還不成熟。也就是說，單體動力鋰電池基本解決了安全和壽命問題，推動動力鋰電池發展的關鍵是電池成組技術和BMS技術。
單體電池品質決定了成組后動力電池組的品質。在動力電池組應用中，單體電池的性能一致性尤其重要，就目前單體電池生產工藝控制水平，通過對生產出來的電池按其實際性能進行篩選、分組、裝配是目前的現實方法。目前，在工業化生產中應用的篩選、分組方法，是基于化成后電池的少數幾個靜態參數，對電池進行配組，配組參數控制標準決定了配組完成時電池組各單體電池狀態一致性。在電池組使用中，電池組中各單體電池的狀態差異又會逐漸顯現出來。電池管理系統（BMS）對電池組的使用過程進行管理，對電池組中各單體電池的狀態進行調整，可以在一定程度上維系電池組中各單體電池的狀態一致性，避免電池狀態差異造成電池組性能的加速衰退。動力鋰電池發展需要電池生產工藝控制水平的提高，科學的電池篩選和配組方法及有效的電池管理系統共同推動。
2 動力鋰電池組安全和壽命概念
2.1 電池不安全的根本原因
當電池某個部分發生偏差時，如內部短路、大電流放電和過充電，就會產生大量的熱，導致電池體系的溫度增加。當電池體系達到較高的溫度時，就會導致一系列副反應，使電池產生熱破壞，由于電池中的液態電解質易燃，因此最壞的情況下電池會著火[1]。
在非正常使用的情況下（如過充），鋰離子很可能在電池的負極表面得到電子，作為金屬鋰析出，并逐漸聚集成鋰枝晶，刺破隔膜，連通正負極，從而引起電池的內部微短路。鋰離子電池采用的是高抗壓，高沸點的有機電解液。在短路、過充、高溫等非正常使用條件下，鋰離子電池內部的溫度會升高，電解液可能分解成大量的氣體，會在密封的殼體內產生比較大的氣壓。一旦這種氣壓大到足以沖破電池的外殼，就會發生破裂，甚至導致燃燒或者爆炸[2]
大功率充放電的大容量鋰動力電池組，在苛刻的使用條件下更易誘發電池某個部分發生偏差，從而引發安全問題。
2.2 電池管理系統(BMS)的重要作用
理想的鋰動力電池具有高度性能一致性，只要使用過程中不過充，不過放，就沒有安全問題，而實際情況是，手機電池出廠時質量完全符合標準，但使用中卻有爆炸的事件發生，筆記本電腦用電池組也不斷有起火、爆炸及產品召回的報道。電池從產生直到壽命完結回收，都存在安全問題，即使在出廠時完全符合國際安全標準，在使用過程中會從安全狀態演變到不安全狀態，質量好的單體電池性能逐漸衰退而達到壽命極限，質量不好的單體電池，在使用過程中其性能會陸續出現各種不正常劣化衰退，進入所擔心的不安全狀態。這是一個逐漸累積的變化過程。電池管理系統就不像有些電池生產企業說的那樣可有可無，而是必須要有，而且還要貫穿電池組應用始終。電池管理系統在國內外已有許多研究，并且開始在許多領域應用，已經能滿足一些市場的需要，鋰動力電池的應用對電池管理系統提出了更高的要求，保障動力電池組的使用安全，是鋰動力電池管理系統的首要任務。
3 電池管理系統
一個典型的電池組充電平衡的管理系統，其工作方法是對連接好的串聯電池組充電的同時，檢測電池組中各個單體電池的端電壓，當某單體電池的端電壓較高時，通過與該單體電池并聯的均衡電路對該電池進行充電分流，降低該單體電池的充電速度和端電壓上升速度，使各單體電池端電壓趨于均衡一致，以此避免因串聯電池組中各單體電池的充放電特性的差異影響電池組的壽命。由于在充電分流時與單體電池并聯的均衡電路消耗部分充電電能，均衡電路發熱，均衡電路的均衡能力受到限制。對于大容量、大功率電池，大電流充電時，均衡電路的均衡能力不能滿足實際需要。
在電池的壽命后期，電池內部性能逐漸劣化，按原有的放電限流值和恒流充電值進行放電或充電，可能會發生過放、過充現象，導致電池內阻等參數進一步惡化，充電和放電過程中電池會嚴重發熱，現有的BMS雖然可以監測電池溫度異常升高時切斷外部充電或放電通路，但此時電池本身已經處于不安全狀態，切斷通路不能阻止電池內部異常的電化學反應過程，電池繼續發熱甚至爆炸的危險依然存在。在電池溫度異常升高時，突然切斷放電通路，對于需要連續供電的設備，如電動汽車，可能造成設備運行的安全問題。
4 基于內阻測量和狀態比較的電池管理系統
研究表明，隨電池充電-放電循環次數的增加，電池容量下降，電池的內阻增加，電池內部性能劣化直至最終徹底失效的過程是一個逐漸累積的過程，電池組中的不一致性會加速電池組進入不安全狀態。
本文提出了內阻測量和狀態比較的電池管理系統，如圖１所示，以單片機為控制核心，在存儲器中預先存儲各單體電池在不同端電壓下的內阻初始值和誤差允許值、充電過程中各單體電池在不同端電壓區段的端電壓上升速率和誤差允許值、累計充電量預定值、充電電壓范圍、放電電壓范圍、充電截止電壓值、放電截止電壓值、電池溫度范圍、充電電流值和充電電流誤差允許值、放電電流保護值、均衡啟動電壓值、端電壓失衡值等參數。充電和放電過程中檢測充電和放電過程的各種參數，在每次充電過程前、充電過程中及充電結束后測量并記錄電池組中各單體電池的端電壓、端電壓上升速率、充電電流、充電量和電池內阻，并與之前充電時測量和記錄的參數進行對比，分析電池組的充電量及各單體電池的內阻、端電壓、端電壓上升速率的變化量，判斷電池內部性能逐漸劣化的過程和程度，對電池的失效及可能出現的安全問題予以預警。對充電和放電過程實施控制，實現充電和放電終止電壓保護，溫度保護，過流保護的的同時，在充電過程中，通過對端電壓較低的單體電池進行補流均衡的方法，使串聯電池組中各單體電池端電壓一致，避免由于各單體電池狀態差異對電池組的壽命影響。
圖1 具有內阻測量和狀態比較功能的電池管理系統示意圖
將系統用于10節20Ah串聯電池組測試，采用5A恒流充電，2A補流均衡，系統補流均衡效果十分明顯，沒有額外發熱量，還便于節能控制。
影響內阻變化因素較多，特別是對電池組完整壽命周期內的內阻變化規律的研究，需要大量的實驗，有關實驗方案正在進行中，包括了動力電池組在模擬工況下放電的整個壽命過程的測試。
5 結論
在每次充電前、充電過程中和充電結束后檢測并記錄充電過程中電池充電量、端電壓、電流、內阻、電池溫度、充電時間等參數，計算各參數的變化量和變化速率，并與預置的初始參數進行比較，準確判斷電池充電性能的變化程度，對可能出現的電池安全問題進行預警，為充電電池的使用提供了高安全性保障。以電動汽車為例，即使出現電池安全預警，駕駛人員有至少數天的富余時間來維修處理，而不必馬上強制斷開。
在充電過程中對端電壓較低的單體電池進行補流均衡充電，在減小各單體電池的狀態差異，提高電池組使用壽命的同時，避免了在充電均衡過程中均衡電路的發熱問題，從而大幅度提高了均衡能力，對大容量、大功率電池組的應用具有顯著效果。
在充電過程中全面記錄每次充電過程中電池充電量、端電壓、電流、內阻、電池溫度、充電時間等參數，從而記錄了充電電池整個壽命周期各項電參數的變化過程，為進行電池組失效原因分析提供了數據基礎。
感謝研究團隊的所有研究人員共同努力完成了上述工作，也感謝中信國安等電池企業提供的新動力電池樣品。
參考文獻
[1] 吳宇平，萬春榮，姜長印, 等. 鋰離子二次電池[M]. 北京. 化學工業出版社, 2002: 326.
[2] 吳曉東. 2007年度鋰電助力自行車學術交流會論文集[C]. 國家自行車質量監督檢驗中心, 2007: 34.
作者簡介：
趙建和? 男? 漢族? 1962年9月生于中國吉林省長春市。
大學期間，選擇光電子學專業，研究生期間，選擇半導體光電子器件及器件物理專業，論文內容為半導體光雙穩器件及超短光脈沖，在半導體所工作期間，課題為“半導體激光器失效機理分析”，在南光集團工作期間，研究開發條形碼自動識別數據采集和管理系統，防偽識別證件管理系統等，在公安部直屬企業工作期間，從事偵聽技術設備研究，紅外夜視設備、保密通訊設備、防彈車輛等警用裝備研制開發，2000年以后，主要從事鋰電池組控制技術研究，內容涉及軍用通訊用鋰電池組，電動工具用鋰電池組，電動自行車用鋰電池組，電動汽車用鋰電池組安全與壽命技術研究，已獲發明專利兩項，實用新型專利八項。