解析鋰電池安全性及其監(jiān)測技術(shù)

　　一、前言

　　近年來，隨著各種混合動力汽車和電動車的發(fā)展，對車載蓄電池的性能要求越來越高。特別是插電式混合動力汽車(PHEV)和電動車(EV)更是這樣和汽油式混合動力汽車相比，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越重要。

　　研究報告表明2013年，全世界鋰離子蓄電池市場規(guī)模為5，670億日元。而到2018年其規(guī)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、重量輕的特點之外，標稱電壓(Nominal Voltage)高達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，以及為了防止過度充放電而帶來的電池性能劣化，需要設(shè)置對電池組中的每個電池單元進行電壓和溫度進行監(jiān)視的子系統(tǒng)(IC)。同時，考慮到這種子系統(tǒng)也有可能出現(xiàn)故障，還需要有檢測該系統(tǒng)工作狀態(tài)的獨立并列系統(tǒng)。

　　二、串聯(lián)電池組的固有問題

　　當串聯(lián)電池組中電池單元數(shù)量增加到數(shù)十至上百個時，串聯(lián)電池組的一個問題變得突出起來，這就是電池單元平衡問題。

　　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，在制造過程中，電池單元的電極卷繞時的張力的變化，就會影響電池單元的劣化速度。另一方面，也不能要求在使用時，所有的電池組的使用環(huán)境完全相同。在使用過程中，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)生的問題是，電池組中的各單元隨著使用時間的變化其劣化速度不同，導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電池單元。蓄電池在充電過程中，一旦電池單元中的某一個達到了充滿電的狀態(tài)之后，充電器就會停止充電。電池組的放電過程也是這樣當某個電池單元放電結(jié)束，則整個電池組也會停止放電。其結(jié)果，就是整個電池組充電容量下降，無法充分發(fā)揮電池的能力。

　　我們以一個由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。當這個電池組放電時，劣化較快的電池單元將會比其它兩只電池單元先結(jié)束放電。如繼續(xù)放電，該電池單元則處于過度放電狀態(tài)。鋰離子蓄電池在處于過度放電狀態(tài)時，會產(chǎn)生冒煙和著火的可能性。為防止事故的發(fā)生，這時只能停止放電，也就是說，剩余的兩只電池單元中殘留的電能無法使用。

　　反之，當該電池組開始充電時，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并沒有充滿電。此時，如果以劣化較快的電池單元為準繼續(xù)充電，則已充滿電的兩只劣化較慢的電池單元處于過度充電狀態(tài)。過度充電同樣會導致電池的燃燒、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有充滿電的狀態(tài)下，就會結(jié)束充電。

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