动力锂电池组安全与寿命问题研究
摘要：本文首次公开发表北京纵横人和电子技术有限责任公司成组锂动力电池安全与寿命问题研究最新工作进展，对影响电池安全的因素进行了分析，提出了对可能出现的电池安全问题进行预警，并通过在充电过程中对端电压较低的单体电池进行补流均衡充电，提高电池组使用寿命的技术方法。
关键词：锂动力电池组；电源系统；BMS
1 引言
当前动力锂电池电源系统发展的主要问题是：动力电池成组后安全性和使用寿命显著下降，甚至频繁发生电池燃烧、爆炸等严重事故。造成上述问题的主要原因是动力锂电池成组技术、成组应用技术和设备研究滞后；实现动力锂电池系统集成，为用户提供动力锂电池系统集成技术和产品，是解决当前面临的问题，推动动力锂电池发展的重要课题。
目前，单体动力锂电池已经基本具备推广应用条件，但现有的成组技术、成组应用技术和设备水平还不成熟。也就是说，单体动力锂电池基本解决了安全和寿命问题，推动动力锂电池发展的关键是电池成组技术和BMS技术。
单体电池品质决定了成组后动力电池组的品质。在动力电池组应用中，单体电池的性能一致性尤其重要，就目前单体电池生产工艺控制水平，通过对生产出来的电池按其实际性能进行筛选、分组、装配是目前的现实方法。目前，在工业化生产中应用的筛选、分组方法，是基于化成后电池的少数几个静态参数，对电池进行配组，配组参数控制标准决定了配组完成时电池组各单体电池状态一致性。在电池组使用中，电池组中各单体电池的状态差异又会逐渐显现出来。电池管理系统（BMS）对电池组的使用过程进行管理，对电池组中各单体电池的状态进行调整，可以在一定程度上维系电池组中各单体电池的状态一致性，避免电池状态差异造成电池组性能的加速衰退。动力锂电池发展需要电池生产工艺控制水平的提高，科学的电池筛选和配组方法及有效的电池管理系统共同推动。
2 动力锂电池组安全和寿命概念
2.1 电池不安全的根本原因
当电池某个部分发生偏差时，如内部短路、大电流放电和过充电，就会产生大量的热，导致电池体系的温度增加。当电池体系达到较高的温度时，就会导致一系列副反应，使电池产生热破坏，由于电池中的液态电解质易燃，因此最坏的情况下电池会着火[1]。
在非正常使用的情况下（如过充），锂离子很可能在电池的负极表面得到电子，作为金属锂析出，并逐渐聚集成锂枝晶，刺破隔膜，连通正负极，从而引起电池的内部微短路。锂离子电池采用的是高抗压，高沸点的有机电解液。在短路、过充、高温等非正常使用条件下，锂离子电池内部的温度会升高，电解液可能分解成大量的气体，会在密封的壳体内产生比较大的气压。一旦这种气压大到足以冲破电池的外壳，就会发生破裂，甚至导致燃烧或者爆炸[2]
大功率充放电的大容量锂动力电池组，在苛刻的使用条件下更易诱发电池某个部分发生偏差，从而引发安全问题。
2.2 电池管理系统(BMS)的重要作用
理想的锂动力电池具有高度性能一致性，只要使用过程中不过充，不过放，就没有安全问题，而实际情况是，手机电池出厂时质量完全符合标准，但使用中却有爆炸的事件发生，笔记本电脑用电池组也不断有起火、爆炸及产品召回的报道。电池从产生直到寿命完结回收，都存在安全问题，即使在出厂时完全符合国际安全标准，在使用过程中会从安全状态演变到不安全状态，质量好的单体电池性能逐渐衰退而达到寿命极限，质量不好的单体电池，在使用过程中其性能会陆续出现各种不正常劣化衰退，进入所担心的不安全状态。这是一个逐渐累积的变化过程。电池管理系统就不像有些电池生产企业说的那样可有可无，而是必须要有，而且还要贯穿电池组应用始终。电池管理系统在国内外已有许多研究，并且开始在许多领域应用，已经能满足一些市场的需要，锂动力电池的应用对电池管理系统提出了更高的要求，保障动力电池组的使用安全，是锂动力电池管理系统的首要任务。
3 电池管理系统
一个典型的电池组充电平衡的管理系统，其工作方法是对连接好的串联电池组充电的同时，检测电池组中各个单体电池的端电压，当某单体电池的端电压较高时，通过与该单体电池并联的均衡电路对该电池进行充电分流，降低该单体电池的充电速度和端电压上升速度，使各单体电池端电压趋于均衡一致，以此避免因串联电池组中各单体电池的充放电特性的差异影响电池组的寿命。由于在充电分流时与单体电池并联的均衡电路消耗部分充电电能，均衡电路发热，均衡电路的均衡能力受到限制。对于大容量、大功率电池，大电流充电时，均衡电路的均衡能力不能满足实际需要。
在电池的寿命后期，电池内部性能逐渐劣化，按原有的放电限流值和恒流充电值进行放电或充电，可能会发生过放、过充现象，导致电池内阻等参数进一步恶化，充电和放电过程中电池会严重发热，现有的BMS虽然可以监测电池温度异常升高时切断外部充电或放电通路，但此时电池本身已经处于不安全状态，切断通路不能阻止电池内部异常的电化学反应过程，电池继续发热甚至爆炸的危险依然存在。在电池温度异常升高时，突然切断放电通路，对于需要连续供电的设备，如电动汽车，可能造成设备运行的安全问题。
4 基于内阻测量和状态比较的电池管理系统
研究表明，随电池充电-放电循环次数的增加，电池容量下降，电池的内阻增加，电池内部性能劣化直至最终彻底失效的过程是一个逐渐累积的过程，电池组中的不一致性会加速电池组进入不安全状态。
本文提出了内阻测量和状态比较的电池管理系统，如图１所示，以单片机为控制核心，在存储器中预先存储各单体电池在不同端电压下的内阻初始值和误差允许值、充电过程中各单体电池在不同端电压区段的端电压上升速率和误差允许值、累计充电量预定值、充电电压范围、放电电压范围、充电截止电压值、放电截止电压值、电池温度范围、充电电流值和充电电流误差允许值、放电电流保护值、均衡启动电压值、端电压失衡值等参数。充电和放电过程中检测充电和放电过程的各种参数，在每次充电过程前、充电过程中及充电结束后测量并记录电池组中各单体电池的端电压、端电压上升速率、充电电流、充电量和电池内阻，并与之前充电时测量和记录的参数进行对比，分析电池组的充电量及各单体电池的内阻、端电压、端电压上升速率的变化量，判断电池内部性能逐渐劣化的过程和程度，对电池的失效及可能出现的安全问题予以预警。对充电和放电过程实施控制，实现充电和放电终止电压保护，温度保护，过流保护的的同时，在充电过程中，通过对端电压较低的单体电池进行补流均衡的方法，使串联电池组中各单体电池端电压一致，避免由于各单体电池状态差异对电池组的寿命影响。
图1 具有内阻测量和状态比较功能的电池管理系统示意图
将系统用于10节20Ah串联电池组测试，采用5A恒流充电，2A补流均衡，系统补流均衡效果十分明显，没有额外发热量，还便于节能控制。
影响内阻变化因素较多，特别是对电池组完整寿命周期内的内阻变化规律的研究，需要大量的实验，有关实验方案正在进行中，包括了动力电池组在模拟工况下放电的整个寿命过程的测试。
5 结论
在每次充电前、充电过程中和充电结束后检测并记录充电过程中电池充电量、端电压、电流、内阻、电池温度、充电时间等参数，计算各参数的变化量和变化速率，并与预置的初始参数进行比较，准确判断电池充电性能的变化程度，对可能出现的电池安全问题进行预警，为充电电池的使用提供了高安全性保障。以电动汽车为例，即使出现电池安全预警，驾驶人员有至少数天的富余时间来维修处理，而不必马上强制断开。
在充电过程中对端电压较低的单体电池进行补流均衡充电，在减小各单体电池的状态差异，提高电池组使用寿命的同时，避免了在充电均衡过程中均衡电路的发热问题，从而大幅度提高了均衡能力，对大容量、大功率电池组的应用具有显著效果。
在充电过程中全面记录每次充电过程中电池充电量、端电压、电流、内阻、电池温度、充电时间等参数，从而记录了充电电池整个寿命周期各项电参数的变化过程，为进行电池组失效原因分析提供了数据基础。
感谢研究团队的所有研究人员共同努力完成了上述工作，也感谢中信国安等电池企业提供的新动力电池样品。
参考文献
[1] 吴宇平，万春荣，姜长印, 等. 锂离子二次电池[M]. 北京. 化学工业出版社, 2002: 326.
[2] 吴晓东. 2007年度锂电助力自行车学术交流会论文集[C]. 国家自行车质量监督检验中心, 2007: 34.
作者简介：
赵建和 男 汉族 1962年9月生于中国吉林省长春市。
大学期间，选择光电子学专业，研究生期间，选择半导体光电子器件及器件物理专业，论文内容为半导体光双稳器件及超短光脉冲，在半导体所工作期间，课题为“半导体激光器失效机理分析”，在南光集团工作期间，研究开发条形码自动识别数据采集和管理系统，防伪识别证件管理系统等，在公安部直属企业工作期间，从事侦听技术设备研究，红外夜视设备、保密通讯设备、防弹车辆等警用装备研制开发，2000年以后，主要从事锂电池组控制技术研究，内容涉及军用通讯用锂电池组，电动工具用锂电池组，电动自行车用锂电池组，电动汽车用锂电池组安全与寿命技术研究，已获发明专利两项，实用新型专利八项。