揭秘電動(dòng)汽車(chē)電池起火原因 電池安全性及其監(jiān)測(cè)技術(shù)知多少
一、前言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201808/386634.htm近年來(lái),隨著各種混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)車(chē)的發(fā)展,對(duì)車(chē)載蓄電池的性能要求越來(lái)越高。特別是插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)和電動(dòng)車(chē)(EV)更是這樣:和汽油式混合動(dòng)力汽車(chē)相比,對(duì)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(lái)越重要。
日本市場(chǎng)調(diào)查機(jī)構(gòu)“富士經(jīng)濟(jì)”集團(tuán)的研究報(bào)告表明:2013年,全世界鋰離子蓄電池市場(chǎng)規(guī)模為5,670億日元。而到2018年其規(guī)模則增大163.8%,達(dá)到9,282億日元。
鋰離子蓄電池除具有體積小、重量輕的特點(diǎn)之外,標(biāo)稱(chēng)電壓(Nominal Voltage)高達(dá)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(guò)度充放電而帶來(lái)的電池性能劣化,需要設(shè)置對(duì)電池組中的每個(gè)電池單元進(jìn)行電壓和溫度進(jìn)行監(jiān)視的子系統(tǒng)(IC)。同時(shí),考慮到這種子系統(tǒng)也有可能出現(xiàn)故障,還需要有檢測(cè)該系統(tǒng)工作狀態(tài)的獨(dú)立并列系統(tǒng)。
二、串聯(lián)電池組的固有問(wèn)題
當(dāng)串聯(lián)電池組中電池單元數(shù)量增加到數(shù)十至上百個(gè)時(shí),串聯(lián)電池組的一個(gè)問(wèn)題變得突出起來(lái),這就是電池單元平衡問(wèn)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(guò)程中,電池單元的電極卷繞時(shí)的張力的變化,就會(huì)影響電池單元的劣化速度。另一方面,也不能要求在使用時(shí),所有的電池組的使用環(huán)境完全相同。在使用過(guò)程中,離熱源近的電池單元劣化較快,反之離熱源遠(yuǎn)的電池單元劣化較慢。
由此而產(chǎn)生的問(wèn)題是,電池組中的各單元隨著使用時(shí)間的變化其劣化速度不同,導(dǎo)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(gè)電池單元。蓄電池在充電過(guò)程中,一旦電池單元中的某一個(gè)達(dá)到了充滿電的狀態(tài)之后,充電器就會(huì)停止充電。電池組的放電過(guò)程也是這樣:當(dāng)某個(gè)電池單元放電結(jié)束,則整個(gè)電池組也會(huì)停止放電。其結(jié)果,就是整個(gè)電池組充電容量下降,無(wú)法充分發(fā)揮電池的能力。
我們以一個(gè)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(dāng)這個(gè)電池組放電時(shí),劣化較快的電池單元將會(huì)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?jiǎng)t處于過(guò)度放電狀態(tài)。鋰離子蓄電池在處于過(guò)度放電狀態(tài)時(shí),會(huì)產(chǎn)生冒煙和著火的可能性。為防止事故的發(fā)生,這時(shí)只能停止放電,也就是說(shuō),剩余的兩只電池單元中殘留的電能無(wú)法使用。
反之,當(dāng)該電池組開(kāi)始充電時(shí),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(shí)并沒(méi)有充滿電。此時(shí),如果以劣化較快的電池單元為準(zhǔn)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(guò)度充電狀態(tài)。過(guò)度充電同樣會(huì)導(dǎo)致電池的燃燒、爆炸危險(xiǎn)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(méi)有充滿電的狀態(tài)下,就會(huì)結(jié)束充電。
研究表明,對(duì)于鋰離子蓄電池來(lái)說(shuō),電池充滿電時(shí)其正極的材料組成是脫鋰態(tài)的鈷酸鋰(Li0.5CoO2),負(fù)極是嵌鋰碳(LiC6)。鈷酸鋰在高溫下會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)釋放氧氣,而嵌鋰碳的化學(xué)反應(yīng)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(dāng)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(dāng)電池單元的劣化狀態(tài)出現(xiàn)偏差時(shí),充電時(shí)和放電時(shí)都無(wú)法發(fā)揮電池組的最大能力,甚至引起事故。從小的地方說(shuō),經(jīng)??吹绞謾C(jī)在充電時(shí)發(fā)生爆炸事故的新聞;從大的地方講,被稱(chēng)為“夢(mèng)想客機(jī)”的波音787在出廠投入航線不長(zhǎng)時(shí)間就不斷出現(xiàn)故障,而其中有些故障有可能就是因?yàn)轱w機(jī)使用的鋰離子蓄電池的電池單元平衡出了問(wèn)題。據(jù)2015年5月初的報(bào)道,因波音787可能在電力供應(yīng)方面存在缺陷,美國(guó)聯(lián)邦航空局下達(dá)一項(xiàng)臨時(shí)指令,要求航空運(yùn)營(yíng)商對(duì)波音787客機(jī)進(jìn)行“反復(fù)性的維護(hù)任務(wù)”。具體原因目前還不清楚,但從波音787鋰離子蓄電池出問(wèn)題的歷史看,恐怕這次也是出自電池身上。
所以,通過(guò)電池監(jiān)視IC隨時(shí)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(duì)車(chē)載鋰離子蓄電池監(jiān)視系統(tǒng)的要求
目前,國(guó)外對(duì)車(chē)載鋰離子蓄電池監(jiān)視系統(tǒng)所要求的安全機(jī)構(gòu),有如下構(gòu)造:
圖1 混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)部分和電池監(jiān)視系統(tǒng)的構(gòu)成示例
一般的車(chē)載動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)如圖1所示。
由數(shù)十個(gè)至上百個(gè)電池單元串聯(lián)形成電池組,對(duì)其負(fù)荷——變頻器和電動(dòng)機(jī)供電。因串聯(lián)電池組的電壓高達(dá)數(shù)十至數(shù)百伏,所以無(wú)法使用單獨(dú)的電池監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)所有的電池單元進(jìn)行監(jiān)控。因此,一般每個(gè)電池監(jiān)視系統(tǒng)(IC)同時(shí)監(jiān)視8-16個(gè)電池單元。電池監(jiān)視IC主要監(jiān)視個(gè)電池單元的電壓、溫度和電池單元平衡等。
在車(chē)載電池監(jiān)視系統(tǒng)中,電池監(jiān)視IC并不對(duì)各電池單元的電壓等的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行判斷,而僅僅將測(cè)定信息提交給MCU(微機(jī)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(chē)載電腦系統(tǒng),在這一層次控制對(duì)電池組的充放電動(dòng)作。
圖2 評(píng)價(jià)電池監(jiān)視IC測(cè)定精度的三種方法示例
所以,對(duì)電池單元進(jìn)行電壓測(cè)定,是電池監(jiān)視IC重要的功能。相應(yīng)地,對(duì)電池監(jiān)視IC測(cè)定精度的評(píng)價(jià)也非常重要。圖2為典型的用來(lái)評(píng)價(jià)電池監(jiān)視IC測(cè)定精度的三種電路。
其中,A)電路為使用兩組IC對(duì)同一組電池組進(jìn)行冗余監(jiān)視;B)為從外部提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓源2用于確認(rèn)IC的測(cè)定精度。C)為從內(nèi)部產(chǎn)生該標(biāo)準(zhǔn)電壓源。
在這里,A)方法能夠增加冗余度,但同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度;B)和C)這兩種方法使用與A/D轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)電壓源1相獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)電壓源2,將該電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換來(lái)評(píng)價(jià)IC的測(cè)定精度。
但是,對(duì)于這獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)電壓源2,還要考慮到有可能出現(xiàn)由于同一個(gè)原因所引起的故障。比如,A/D轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)電壓源1與標(biāo)準(zhǔn)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(fù)荷比,則各個(gè)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(shì)。其結(jié)果,使用這種方法無(wú)法檢測(cè)出故障。為解決這個(gè)問(wèn)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(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)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(shí),保持標(biāo)準(zhǔn)電壓源2相對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)電壓源1的獨(dú)立性,是一個(gè)重要的問(wèn)題。比如說(shuō),作為保持獨(dú)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?lèi)?ài)。
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(wù)是
1. 測(cè)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(xiàng)任務(wù)的目的,是完成電池監(jiān)視IC的最主要的任務(wù):
4. 保持電池單元的平衡
電池監(jiān)視IC隨時(shí)監(jiān)視分配給自己的各電池單元的端點(diǎn)電壓,并將測(cè)定結(jié)果傳送到MCU處。MCU則通過(guò)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(duì)電池監(jiān)視IC下達(dá)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(dòng)均衡方式(Passive balance)和主動(dòng)均衡方式(Active balance)兩種。
被動(dòng)均衡方式使用在電池監(jiān)視IC中構(gòu)建的金氧半場(chǎng)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(jìn)行放電。
通過(guò)被動(dòng)方式建立電池單元平衡的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)非常簡(jiǎn)潔,但缺點(diǎn)也很大:將剩余能量強(qiáng)制放電會(huì)引起整個(gè)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(dòng)均衡方式是將某個(gè)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(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜,但同時(shí)可以提高這個(gè)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(kāi)始在電池中加入保護(hù)電路。比如市場(chǎng)常見(jiàn)的18650型鋰離子蓄電池(筆記本電腦中經(jīng)常使用這種型號(hào)的電池),從編號(hào)方式來(lái)看應(yīng)該是長(zhǎng)65mm/直徑18mm,可實(shí)際上,最近的這種型號(hào)的電池,因?yàn)橹虚g增加了保護(hù)電路和各種保護(hù)措施,所以長(zhǎng)度加長(zhǎng)到68mm左右。
現(xiàn)在國(guó)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(chē)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(jì)量芯片等
另外還有羅姆(ROHM Semiconducto)公司另辟蹊徑,開(kāi)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(guó)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(chǔ)上,努力提高能量密度和輸出密度。同時(shí),根據(jù)電池的不同使用方式,盡量突出其特性。比如,車(chē)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(qiáng)調(diào)大容量、低成本和較好的耐久性;醫(yī)療機(jī)關(guān)用的蓄電池則注重安全、安定性,而對(duì)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(wàn)日元/kWh,2015年此成本降到3萬(wàn)日元左右,而2020年的目標(biāo)是1萬(wàn)日元前后。這個(gè)數(shù)值相當(dāng)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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),將有可能改變整個(gè)社會(huì)的電力存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。
評(píng)論