揭秘電動(dòng)汽車(chē)電池起火原因 電池安全性及其監測技術(shù)知多少

一、前言

近年來(lái)，隨著(zhù)各種混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)車(chē)的發(fā)展，對車(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)調查機構“富士經(jīng)濟”集團的研究報告表明：2013年，全世界鋰離子蓄電池市場(chǎng)規模為5,670億日元。而到2018年其規模則增大163.8%，達到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，標稱(chēng)電壓(Nominal Voltage)高達3.6伏特、能量密度很高(意味著(zhù)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，需要設置對電池組中的每個(gè)電池單元進(jìn)行電壓和溫度進(jìn)行監視的子系統(IC)。同時(shí)，考慮到這種子系統也有可能出現故障，還需要有檢測該系統工作狀態(tài)的獨立并列系統。

二、串聯(lián)電池組的固有問(wèn)題

當串聯(lián)電池組中電池單元數量增加到數十至上百個(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(zhù)使用時(shí)間的變化其劣化速度不同，導致電池單元的容量出現偏差。

電池組的總體性能也遵循著(zhù)“木桶原則(短板原則)”，即木桶的容量取決于構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)達到了充滿(mǎn)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：當某個(gè)電池單元放電結束，則整個(gè)電池組也會(huì )停止放電。其結果，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束放電。如繼續放電，該電池單元則處于過(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(zhù)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(mǎn)電;而劣化較快的電池單元這時(shí)并沒(méi)有充滿(mǎn)電。此時(shí)，如果以劣化較快的電池單元為準繼續充電，則已充滿(mǎn)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 )導致電池的燃燒、爆炸危險的發(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(mǎn)電的狀態(tài)下，就會(huì )結束充電。

研究表明，對于鋰離子蓄電池來(lái)說(shuō)，電池充滿(mǎn)電時(shí)其正極的材料組成是脫鋰態(tài)的鈷酸鋰(Li0.5CoO2)，負極是嵌鋰碳(LiC6)。鈷酸鋰在高溫下會(huì )發(fā)生分解反應釋放氧氣，而嵌鋰碳的化學(xué)反應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，當電池單元的劣化狀態(tài)出現偏差時(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”的波音787在出廠(chǎng)投入航線(xiàn)不長(cháng)時(shí)間就不斷出現故障，而其中有些故障有可能就是因為飛機使用的鋰離子蓄電池的電池單元平衡出了問(wèn)題。據2015年5月初的報道，因波音787可能在電力供應方面存在缺陷，美國聯(lián)邦航空局下達一項臨時(shí)指令，要求航空運營(yíng)商對波音787客機進(jìn)行“反復性的維護任務(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)電池監視IC隨時(shí)監視串聯(lián)電池組中各電池單元的工作狀態(tài)就成為必要。

三、對車(chē)載鋰離子蓄電池監視系統的要求

目前，國外對車(chē)載鋰離子蓄電池監視系統所要求的安全機構，有如下構造：

圖1 混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)車(chē)的驅動(dòng)部分和電池監視系統的構成示例

一般的車(chē)載動(dòng)力供應系統如圖1所示。

由數十個(gè)至上百個(gè)電池單元串聯(lián)形成電池組，對其負荷——變頻器和電動(dòng)機供電。因串聯(lián)電池組的電壓高達數十至數百伏，所以無(wú)法使用單獨的電池監視系統對所有的電池單元進(jìn)行監控。因此，一般每個(gè)電池監視系統(IC)同時(shí)監視8-16個(gè)電池單元。電池監視IC主要監視個(gè)電池單元的電壓、溫度和電池單元平衡等。

在車(chē)載電池監視系統中，電池監視IC并不對各電池單元的電壓等的測定結果進(jìn)行判斷，而僅僅將測定信息提交給MCU(微機單元)。

各電池監視IC與MCU，構成電池監控單元。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，在這一層次控制對電池組的充放電動(dòng)作。

圖2 評價(jià)電池監視IC測定精度的三種方法示例

所以，對電池單元進(jìn)行電壓測定，是電池監視IC重要的功能。相應地，對電池監視IC測定精度的評價(jià)也非常重要。圖2為典型的用來(lái)評價(jià)電池監視IC測定精度的三種電路。

其中，A)電路為使用兩組IC對同一組電池組進(jìn)行冗余監視;B)為從外部提供一個(gè)標準電壓源2用于確認IC的測定精度。C)為從內部產(chǎn)生該標準電壓源。

在這里，A)方法能夠增加冗余度，但同時(shí)也會(huì )增加系統的復雜程度;B)和C)這兩種方法使用與A/D轉換器的標準電壓源1相獨立的標準電壓源2，將該電壓進(jìn)行A/D轉換來(lái)評價(jià)IC的測定精度。

但是，對于這獨立的標準電壓源2，還要考慮到有可能出現由于同一個(gè)原因所引起的故障。比如，A/D轉換器的標準電壓源1與標準電壓源2如果采用的是相同的電路，相同的電源和相同的負荷比，則各個(gè)電壓源更有可能呈現出現相同的輸出電壓的變化趨勢。其結果，使用這種方法無(wú)法檢測出故障。為解決這個(gè)問(wèn)題，最好的辦法就是采用B)的方式，從電池監視IC外部提供獨立的標準電壓源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)，保持標準電壓源2相對于A(yíng)/D轉換器的標準電壓源1的獨立性，是一個(gè)重要的問(wèn)題。比如說(shuō)，作為保持獨立性的手段，采用不同的電路等措施。這方面涉及到各電池廠(chǎng)家的內部秘密范疇，本文在此割?lèi)?ài)。

四、使用電池監視IC發(fā)揮電池單元的最大作用

綜上所述，電池監視IC的主要任務(wù)是

1. 測定電池單元的電壓

2. A/D轉換

3. 與MCU通信

執行這三項任務(wù)的目的，是完成電池監視IC的最主要的任務(wù)：

4. 保持電池單元的平衡

電池監視IC隨時(shí)監視分配給自己的各電池單元的端點(diǎn)電壓，并將測定結果傳送到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偏差。如果出現偏差，則MCU對電池監視IC下達指示，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視IC中構建的金氧半場(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)系統非常簡(jiǎn)潔，但缺點(diǎn)也很大：將剩余能量強制放電會(huì )引起整個(gè)系統的能量效率低下，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)系統比較復雜，但同時(shí)可以提高這個(gè)系統的能量利用率。

現在，很多鋰離子蓄電池中已經(jīng)開(kāi)始在電池中加入保護電路。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)常使用這種型號的電池)，從編號方式來(lái)看應該是長(cháng)65mm/直徑18mm，可實(shí)際上，最近的這種型號的電池，因為中間增加了保護電路和各種保護措施，所以長(cháng)度加長(cháng)到68mm左右。

現在國外推出的電池監視IC有：

Linear Technology公司推出的LTC3300-1高效率雙向電池監視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)以及與其配套的監視IC——BD14000EFV-C等。

五、國外電池監視IC的研究

現在各廠(chǎng)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(shí)，根據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，則強調大容量、低成本和較好的耐久性;醫療機關(guān)用的蓄電池則注重安全、安定性，而對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年的目標是1萬(wàn)日元前后。這個(gè)數值相當于使用鉛蓄電池或抽水發(fā)電系統的單位容量成本。一旦實(shí)現這個(gè)目標，將有可能改變整個(gè)社會(huì )的電力存儲結構。