鋰動(dòng)力電池組安全存放研究

楊　咚， 魯　剛，李　晨，趙海蕭（.海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處，昆明 650000；.海軍裝備部軍械保障部，北京0000；.昆明五威科工貿(mào)有限公司，昆明 650000）

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鋰動(dòng)力電池組安全存放研究

楊咚1， 魯剛2，李晨1，趙海蕭3
（1.海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處，昆明 650000；2.海軍裝備部軍械保障部，北京100001；3.昆明五威科工貿(mào)有限公司，昆明 650000）

摘要：鋰離子電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高、電壓高、自放電率低、無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，特別是在大功率、高倍率放電應(yīng)用方面作為儲(chǔ)能和動(dòng)力源有其它電池?zé)o法比擬的優(yōu)勢(shì)，但是其自身的安全性問題，制約了它的發(fā)展和推廣應(yīng)用。本文就鋰動(dòng)力電池組的安全存放方法作了一些探討，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的設(shè)備保證鋰動(dòng)力電池組的長(zhǎng)期存放安全，取得了較理想的效果。

關(guān)鍵詞：鋰動(dòng)力電池組安全性包裝箱監(jiān)控均衡補(bǔ)充電

0　引言

1990 年索尼公司首次開發(fā)出了鋰離子電池，并將其推向商業(yè)市場(chǎng)[1]。二十幾年來，鋰離子電池取得了飛速的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用、交通、軍工等領(lǐng)域，特別是在注重短小輕薄的便攜式設(shè)備上，諸如手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，攝像機(jī)等電子消費(fèi)品上得到了普及。相對(duì)于鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等其它電池，鋰離子電池具有比能量高，電壓平臺(tái)高，無記憶效應(yīng)，無污染等諸多優(yōu)勢(shì)，是最具潛力的環(huán)保電池。

到目前為止，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r大體上為：在小容量應(yīng)用方面，鋰離子電池已逐步取代了鎳氫、鎳鎘等電池，廣泛應(yīng)用在手機(jī)、筆記本電腦、手游設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)等便攜式設(shè)備上，處于絕對(duì)壟斷地位；在較大功率、較大容量應(yīng)用方面，鋰離子電池作為動(dòng)力源有取代鉛酸電池的趨勢(shì)，成為礦用頭燈、電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車等產(chǎn)品的首選電源。在大容量、高倍率應(yīng)用方面，鋰離子電池的應(yīng)用還處于起步階段，開始在電動(dòng)汽車、航空航天電源系統(tǒng)、水中兵器、水下運(yùn)載器等方面作為儲(chǔ)能源及動(dòng)力源得到初步應(yīng)用。

鋰離子電池雖然在中小功率產(chǎn)品上的應(yīng)用取得了極大的成功，但在大功率、大容量、高電壓的產(chǎn)品上還未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用，其最主要的一個(gè)原因是鋰動(dòng)力電池存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，安全性是制約鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展的重要因素，因此保證鋰動(dòng)力電池存放及使用的安全已迫在眉睫。

另外，在實(shí)際應(yīng)用中，鋰動(dòng)力電池組通常是有很多組的，并且這些電池組是分布存放的，怎樣對(duì)這些鋰動(dòng)力電池組進(jìn)行有效的監(jiān)控管理是急需解決的問題。

本文就保證鋰動(dòng)力電池組存放安全的一些方法進(jìn)行了探討，主要是從物理隔離保護(hù)、電氣監(jiān)控保護(hù)、均衡補(bǔ)充電等方面進(jìn)行闡述。

1　鋰離子電池安全問題

1.1 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池是一種可充電的二次電池，它是依靠鋰離子在電池正負(fù)極間的循環(huán)移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)電池的儲(chǔ)能和放電過程。正極材料主要有等，負(fù)極主要有碳材料、金屬氧化物，多元鋰合金等，電解質(zhì)為溶解了鋰鹽（如等）的有機(jī)溶劑。有機(jī)溶劑主要包括碳酸乙烯脂（EC）、碳酸丙烯脂（PC）、碳酸二甲脂（DMC）等。鋰離子電池的化學(xué)反應(yīng)式為：

鋰離子二次電池的具體工作原理為：充電時(shí)，鋰離子從正極脫出，經(jīng)過電解液和隔膜這一橋梁而嵌入到負(fù)極材料（石墨）的層狀結(jié)構(gòu)中。正極材料脫出鋰離子，負(fù)極材料與鋰離子發(fā)生嵌入反應(yīng)，電子則從負(fù)載電路運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，以確保電荷的平衡，放電時(shí)則剛好相反。在正常使用情況下，電池的充放電過程，鋰離子的脫出和嵌入只會(huì)引起材料的層間距變化，不會(huì)破壞晶體結(jié)構(gòu)，因此，鋰離子電池的充放電反應(yīng)過程是可逆的，而且這種可逆性是比較好的，從而保證了鋰離子電池的較長(zhǎng)循環(huán)壽命。

1.2 鋰離子電池的安全問題

鋰離子電池的安全問題本質(zhì)上就是鋰離子電池內(nèi)部的熱損傷問題。在充放電過程中，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱如果不能迅速釋放出去的話，電池的溫度就會(huì)上升，而溫度的升高又進(jìn)一步加劇了電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，如此不斷的惡性循環(huán)，最后將導(dǎo)致鋰離子電池的熱失控，甚至發(fā)生燃燒、爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn)。

電池內(nèi)部的熱量主要來自化學(xué)反應(yīng)熱、焦耳熱、極化熱、副反應(yīng)熱等部分。

鋰離子電池正極一側(cè)發(fā)生的主要是活性物質(zhì)的分解和有機(jī)溶劑的氧化，其中氧化有機(jī)溶劑會(huì)放出大量的熱，可能會(huì)導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍?/p>

石墨類材料是主流負(fù)極材料，所以安全性也僅限于這些碳類材料。鋰離子電池負(fù)極一側(cè)發(fā)生的反應(yīng)主要有SEI膜的分解，有機(jī)溶劑的還原反應(yīng)。

Dahn等人利用ARC研究了負(fù)極的熱行為，證明了負(fù)極表面的SEI膜在100-130℃左右開始熱分解，分解反應(yīng)式如下：

SEI膜被破壞后，電解液直接與LiC6接觸，溶劑被還原成烷基酯鋰和等小分子氣體，同時(shí)放出大量的熱。

2　物理隔離保護(hù)包裝箱

基于以上鋰離子電池的工作原理和熱反應(yīng)機(jī)制，我們?cè)O(shè)計(jì)了鋰動(dòng)力電池組包裝箱，通過物理隔離保證鋰動(dòng)力電池組在長(zhǎng)期存放過程中的安全。

為了能更好的保護(hù)鋰離子動(dòng)力電池組的安全，電池組包裝箱不僅要求能夠存放鋰離子電池組，還須保證其存放環(huán)境密封，以便注入氮?dú)?，隔絕氧氣，阻斷電池異常時(shí)燃燒的條件。

系統(tǒng)的機(jī)械組件主要包括包裝箱體和電池架小車兩部分，如圖1所示，電池架小車用于承載電池組在包裝箱體內(nèi)移動(dòng)和存放，方便用戶操作。包裝箱體則用于密封和存放電池組及電池架小車，保證其存放安全性。

2.1 包裝箱體

包裝箱體主要用于裝載電池組及電池架小車，包裝箱是密封的，存放電池組時(shí)還需充入氮?dú)猓ＷC電池組與外界環(huán)境的相對(duì)隔離，保護(hù)電池組的存放安全。如圖2所示，包裝箱體由艙體、左端蓋、右端蓋、電氣箱等部分組成。

2.2 電池架小車

電池架小車由小車架、小車艙內(nèi)限位座、落地支架、電池組限位塊等部分組成，其中小車架底部裝有滾輪和導(dǎo)向輪，用于進(jìn)出電池艙。

如圖3所示，電池架小車可方便的將整組鋰動(dòng)力電池推入與拉出。因此鋰動(dòng)力電池組在存放和使用的過程中就不必進(jìn)行繁瑣的單體電池安裝與拆卸工作，大大減輕了相關(guān)人員的工作量，也降低了鋰動(dòng)力電池組存放的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1　鋰動(dòng)力申池組包裝箱

圖2　包裝箱體

圖3　申池架小車?yán)耸疽鈭D

2.3 充氣口與安全閥

如圖4所示，端蓋上設(shè)有充氣口和安全閥，在電池組存放過程中可充入氮?dú)狻．?dāng)電池組出現(xiàn)異常時(shí)，安全閥可有效泄放電池組包裝箱內(nèi)的壓力，避免出現(xiàn)爆炸等嚴(yán)重后果。

圖4　安全閥與充氣閥

3　電氣監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)

為保證鋰動(dòng)力電池組存放的安全，需要長(zhǎng)期監(jiān)控電池組的各個(gè)敏感物理量。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于CAN通信的分布式鋰動(dòng)力電池組監(jiān)控系統(tǒng)。它可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)動(dòng)力電池組的單體電壓、整組電壓、節(jié)點(diǎn)溫度、溫濕度、壓力、煙霧情況等電池組的敏感參數(shù)，并對(duì)這些敏感參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和顯示，當(dāng)電池組異常時(shí)即時(shí)聲光報(bào)警。

監(jiān)控系統(tǒng)如圖5所示，主要分為上位計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、包裝箱內(nèi)采集子系統(tǒng)等部分。

3.1 采集子系統(tǒng)

采集系統(tǒng)主要是采集鋰動(dòng)力電池組的單體電壓，電池組的節(jié)點(diǎn)溫度，電池箱內(nèi)的溫濕度、壓力、煙霧情況等。采集子系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由多種采集模塊構(gòu)成，分別有電池電壓采集模塊、溫濕度采集模塊、壓力和煙霧傳感器模塊、供電模塊、通信模塊等模塊。

采集模塊處理器選用飛思卡爾的高性能處理器，型號(hào)為MC9S12XET256,它是Freeseal公司生產(chǎn)的S12X系列單片機(jī)的一種。該單片機(jī)為雙核處理器，主處理器主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，協(xié)處理器主要負(fù)責(zé)CAN通信,這樣系統(tǒng)的采集效率和數(shù)據(jù)通信能力將大幅提高。

圖5　鋰動(dòng)力申池組監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

單體電池電壓是反應(yīng)鋰動(dòng)力電池健康狀況非常重要的一個(gè)參數(shù)，因此提高電壓采樣的精度是非常必要的。在電池電壓輸入端采用多級(jí)低通濾波技術(shù)，保證輸入的穩(wěn)定。AD轉(zhuǎn)換芯片選用高精度低漂移的芯片，使采樣分辨率達(dá)到毫伏級(jí)別。另外采樣溫度補(bǔ)償技術(shù)，保證在惡劣的環(huán)境中采樣精度依然很高。

3.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)通常需要監(jiān)控很多組鋰動(dòng)力電池，它的數(shù)據(jù)傳輸量是非?？捎^的，要求通信的傳輸速率高；同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)須長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)鋰電池組，要求通信的穩(wěn)定性好。

監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信嚴(yán)格遵守CAN 2.0B 協(xié)議，采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸，通信速率125

kbit/s，標(biāo)識(shí)符為11位，每個(gè)采集模塊有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符ID，通信過程中各個(gè)采集模塊只響應(yīng)與自身ID相符的幀數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)采集系統(tǒng)通信節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，本系統(tǒng)中單片機(jī)的CAN通信總線收發(fā)器不與驅(qū)動(dòng)芯片直接相連，而是通過雙通道隔離芯片ADuM1201芯片隔離后連接，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各結(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。ADuM1201芯片，是基于ADI公司的磁耦隔離技術(shù)的數(shù)字隔離器。傳輸速率可達(dá)10 M，隔離電壓高達(dá)2500 V，完全可滿足高速CAN通信的要求。

3.3 上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件3.3.1數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理

上位計(jì)算機(jī)與下位各個(gè)電池包裝箱采集系統(tǒng)通信，接收下位采集的數(shù)據(jù)和向下位機(jī)發(fā)送各種指令。為了實(shí)現(xiàn)多組鋰動(dòng)力電池組的實(shí)時(shí)有效監(jiān)控，上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面采用多種顯示方式，包括包括柱狀圖、曲線、列表等。

監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)量較大，且系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間的工作，對(duì)上位軟件后臺(tái)數(shù)據(jù)處理的設(shè)計(jì)必須充分考慮這一特點(diǎn)。為了更好的監(jiān)控鋰電池組的存放情況，需要對(duì)單體電池的電壓、整組電池電壓、節(jié)點(diǎn)溫度、溫濕度、壓力、煙霧情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、判別。采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫軟件，通過指令集實(shí)現(xiàn)對(duì)多組鋰動(dòng)力電池組的存儲(chǔ)。

3.3.2 歷史數(shù)據(jù)查詢

通過查詢指令集，可以查詢?nèi)我庖唤M電池的相關(guān)信息，包括用戶使用次數(shù)單體電池電壓、溫度信息、濕度信息、煙霧情況、異常信息記錄、電池組使用次數(shù)、性能評(píng)估等信息。通過查詢這些信息，了解鋰動(dòng)力電池組在整個(gè)壽命內(nèi)的工作狀態(tài)，對(duì)電池組性能的研究以及對(duì)電池的改進(jìn)提高大量的數(shù)據(jù)參考。

3.3.3 電池性能評(píng)估

鋰離子電池屬于二次電池。 電池性能評(píng)估模塊是根據(jù)采集的單體電池電壓、電池存放時(shí)間、使用次數(shù)、容量等因素綜合考慮。

對(duì)電池組的現(xiàn)狀作出評(píng)估，為用戶選用電池組提供依據(jù)。

4　均衡補(bǔ)充保護(hù)

為了解決鋰動(dòng)力電池組在長(zhǎng)期存放過程中出現(xiàn)的不均衡現(xiàn)象和單體欠壓現(xiàn)象，我們需要對(duì)電池組進(jìn)行定期與不定期的均衡補(bǔ)充電。充電器需選用專門的充電系統(tǒng)，需有智能均衡功能。

5　結(jié)論

本文就鋰動(dòng)力電池組在長(zhǎng)期存放過程中的保護(hù)提出了幾點(diǎn)意見，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的設(shè)備保證鋰動(dòng)力電池組存放的安全，取得了較好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] T.Nagamura,K.T azawa,Prog.Batteries.Sol.Cells,1990，9:20.

[2] D.D.Mac Neil and J.R.Dahn,J.Electrochem.Soc.,2001,148（11）:A1205.

[3] 鮑慧,喬立賢.基于CAN總線的鋰電池儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).2012.

Research on Safe Storage Method of Lithium Power Batteries

Yang Dong1,Lu Gang2,Li Chen1,Zhao Haixiao3
（1.Naval Representatives Office in Kunming Area,Kunming 650118,China；2.Naval Equipment Department,Beijing 100001,China;3.Kunming Wuwei Industrial and Trading Company,Kunming 650118,China）

Abstract:Lithium ion batteries have the advantages of long cycle life,high energy density,high voltage ,low self discharge rate,no memery effect and so on,especially incomparable advantages than other kinds of batteries in the high-power,high rate discharge point applications in energy storage and power source,but self-security own,restricts their development and application.This paper probes into safe storage method of lithium power batteries,and designs corresponding equipment to ensure the lithium batteries and long-term storage security with good results.

Keywords:lithium power batteries;safety;packaging box;monitoring;balanced added electric.

作者簡(jiǎn)介：楊咚（1973-），男，高級(jí)工程師。 研究方向：水中兵器。

收稿日期：2015-11-09

中圖分類號(hào)：TM911

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）01-0005-04