基于便攜式應(yīng)急電源系統(tǒng)中應(yīng)用的鋰電池陣列設(shè)計思路

張洪春 周永光 熊理想 甘金鑫

深圳供電局有限公司 廣東 深圳 518000

0 引言

在便攜式應(yīng)急電源中，蓄電池的容量是決定便攜式應(yīng)急電源在應(yīng)用時是否能有效、可靠得到使用的有力保障之一，尤其在電力設(shè)備戶外檢修場合，便攜式應(yīng)急電源得到頻繁使用，現(xiàn)有變電站的各專業(yè)的檢修、技改、修理以及應(yīng)急事故處理過程中，都需用到用便攜式應(yīng)急電源，但在如果檢修工作時間，檢修位置分散時，在沒有市電的情況下，便攜式應(yīng)急電源的儲能電池的增容就會發(fā)揮其重要作用。

1 便攜式應(yīng)急電源中鋰電池組應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著社會的發(fā)展，自20世紀(jì)90年代中期以來，鋰離子電池組在便攜式設(shè)備中大量得到應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域涉及攜式設(shè)備、太空科學(xué)試驗等電源不足的場合，本文以電力工作的身份主要研究在電力檢修、搶修、應(yīng)急事故處理等過程中應(yīng)用應(yīng)急電源的環(huán)境。

對于鋰電池包的應(yīng)用來說，一般大部分的鋰離子電池組都配置有智能電路板，提供電芯水平的電壓監(jiān)控和電池串級的電芯電廠平衡，同時也提供防止災(zāi)難性失效的保護(hù)功能，如使用電流限制器、多重開關(guān)、快速熔斷器、溫度保險絲以電壓保護(hù)器等實現(xiàn)的。一般采用的先將多個電池并聯(lián)，之后再進(jìn)行串聯(lián)，這有助于減少電流和電壓的監(jiān)控的復(fù)雜性。

2 鋰電池的工作原理與性能特點

鋰離子電池的電壓一般在2.5～4.2 V間范圍里，具備有很高的質(zhì)量比能量和體積比能量，得到廣泛應(yīng)用，常見的應(yīng)用比較廣泛的電芯為18650型和26650型。

本文以18650電芯為對象研究其工作原理：

18650鋰 離子電池是三元材料的鋰離子電池，其負(fù)極以碳素為材料構(gòu)成，正極為含鋰元素的過渡金屬氧化物，如Li Mn2 O4、Li Co O2等。18650鋰離子電池添加鋰鹽為導(dǎo)電劑，加上有機溶劑構(gòu)成電池內(nèi)部的電解質(zhì)。通常鋰離子電池中不含有金屬鋰，因為18650鋰離子電池在充電時，由于化學(xué)反應(yīng)很容易使得金屬鋰沉積在電極表面，從內(nèi)部腐蝕電池，會極大降低鋰離子電池的循環(huán)使用性能，嚴(yán)重的可能造成安全性問題

18650鋰 離子電池的阻抗是隨著通過電流時間增長而增加，其鋰電池阻抗分為三個部分形成，即歐姆部分、在短時間內(nèi)的增加是由于電解質(zhì)與電極材料界面上的電荷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移形成的電極表面雙層電容，而長時間的增加則是由鋰離子在電解質(zhì)中和在正負(fù)極材料中的擴(kuò)散產(chǎn)生。其中歐姆阻抗與電流無關(guān)，電荷轉(zhuǎn)移阻抗在高電流區(qū)隨電流增加而下降，擴(kuò)散阻抗是隨電流增加而增大。另外阻抗對電流的依賴關(guān)系在不同溫度條件下會有所不同。

18650鋰 離子電池具備有強常溫荷電保持能力，經(jīng)實驗驗證，18650鋰離子電池在以恒定標(biāo)準(zhǔn)電流充滿后，常溫放置下一個月左右，SOC不小于原來的90%，端電壓的下降不能超過靜置前的3%。

3 鋰電池電池陣列的構(gòu)成

對于較小的電池系統(tǒng)，電芯一般是并聯(lián)在一起使用，但在實際應(yīng)用中鋰離子電池陣列通常以串并結(jié)合的方式進(jìn)行連接，并聯(lián)的電池陣列可以獲得較大的功率，串聯(lián)的電池陣列可以提升輸出電壓以滿足用電儀器和設(shè)備的要求。

1)電池模塊容量設(shè)計。在先串后并連接的電池陣列中，先串可以輸出更高的端電壓，后并聯(lián)可以輸出更大的負(fù)載電流。

先串后并連接方式的優(yōu)點在于：可以很好地解決鋰離子電池單體之間的不一致性問題，使電池陣列的能量得到更有效的利用和循環(huán)充放電次數(shù)也會明顯增加，但要對每一串鋰離子電池作均衡處理，均衡成本較高。

在電池陣列中，先并后串的方式可讓電池陣列具有更大的放電容量，更高的輸出端電壓。

先并后串連接方式的優(yōu)點在于：電池陣列工作時可靠性高，成本較低，缺點是電池單體容易出現(xiàn)過充過放的問題。

本文研究采用的以18650電芯的鋰蓄電池作為便攜式應(yīng)急電源中能量提供單元，設(shè)計為可外部并聯(lián)擴(kuò)充的模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)，每個18650鋰電池包由112個3.2V/2.5AH的單體電芯依次串并聯(lián)而成，單模塊設(shè)計成7串16并陣列，組成的24 V電池串40 AH容量電池模塊，其連接方式如下圖所示：

圖1

2)電池均衡設(shè)計。由于鋰離子電池單體之間的充放電特性參數(shù)差異，鋰電池陣列中單體間存在一致性問題，個別電池單體的性能表現(xiàn)下降，內(nèi)阻也會出現(xiàn)顯著提高的現(xiàn)象，以至于整個鋰電池組性能出現(xiàn)急劇惡化，會影響到整個電池陣列的使用性能，甚至出現(xiàn)安全性問題。

所以對電池的均衡就是為了實現(xiàn)電池陣列的充放電過程中各單體的性能盡可能一致，以獲得最優(yōu)充放電性能表現(xiàn)，均衡設(shè)計分為能量耗散型和能量轉(zhuǎn)移型兩種模式：

能耗型均衡是早期的均衡方式，是以通過平衡鋰離子電池陣列中電壓不同的單體之間的電壓來實現(xiàn)，這種模式的均衡在均衡時被放電的鋰離子電池溫度會升高，伴隨著鋰電池陣列不斷地重復(fù)性使用，容量小的單體充放電性能會明顯變差，易出現(xiàn)故障。

隨著技術(shù)進(jìn)步，目前均衡模式上國內(nèi)外在能量轉(zhuǎn)移型均衡研究較多，能量轉(zhuǎn)移型電路具有均衡節(jié)能和能量利用率高等優(yōu)點，其能量轉(zhuǎn)移型均衡模式也分為以下幾種：集中式多級繞組變壓器；獨立的DC－DC轉(zhuǎn)換器；相鄰電池均衡

a)均衡控制設(shè)計思路。能量轉(zhuǎn)移型電路具有均衡節(jié)能和能量利用率高等優(yōu)點，其主要特點是在電池陣列循環(huán)使用過程中，可以實時對各單體之間實現(xiàn)SOC均衡，能量轉(zhuǎn)移型電路較為復(fù)雜，主要設(shè)計思路如下圖：

圖2

為實現(xiàn)均衡控制，采用了專用控制管理芯片(如LTC6803)，實現(xiàn)電池陣列的電池單體進(jìn)行電壓測試，通過電平移位的通信接口，可以把專用控制管理芯片級聯(lián)起來共同工作(不需要電氣隔離器件)，這樣就可以在更高的電壓值范圍內(nèi)完成相關(guān)測試。

通常在電池的電壓采集端都會串聯(lián)一個MOSFET開關(guān)管用于控制電池陣列單體的均衡控制，即在電池電壓過高就時時開關(guān)管導(dǎo)通放電，過低時關(guān)閉繼續(xù)充電，以實現(xiàn)過壓保護(hù)及均衡的功能。

為防止18650鋰電池在接入電路的瞬間對系統(tǒng)造成損害，鋰離子電池需要通過電阻、穩(wěn)壓管組成的電路與均衡控制單元連接，通過內(nèi)部高度精度AD對鋰離子電池單體電壓實現(xiàn)檢測，從而達(dá)到對鋰離子電池單體電壓監(jiān)控的目的。

3)充電電壓和電流采集原理

如上圖3所示，本文設(shè)計中采用分壓的方式獲得18650鋰離子電池陣列的充電電壓，采集到的電壓值為：

當(dāng)18650鋰離子電池充電陣列充電時，首先控制設(shè)置AD作為分壓模式獲取合適的分壓值，作為精準(zhǔn)的參考電壓基準(zhǔn)值。

4)電池的測量控制功能單元與系統(tǒng)管理。鋰電池電池陣列的監(jiān)控、測試、計算、通信及對電池組中電芯的控制管理的作用是增強電池陣列中的電芯的安全性并維持其性能。

對電池的監(jiān)控用于電池的電壓和電流進(jìn)行檢測監(jiān)視，并可用于指示警示條件，以讓管理系統(tǒng)及時對電池進(jìn)行有效的操作。

對電池的測量功能是耦合控制機理，能在大小、時間以及其它信息提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，這對于系統(tǒng)管理是非常有用的。

對鋰電池電池陣列系統(tǒng)管理是為鋰電池提供先進(jìn)特征，為電池組的實時狀態(tài)進(jìn)行可信信息管理，比如SOC、以及對電池電池健康狀況、壽命狀況進(jìn)行提前預(yù)測。

4 鋰電池陣列的模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)

鋰電池陣列設(shè)計為模塊化結(jié)構(gòu)，以方便增容拔插操作外形結(jié)構(gòu)和接口類型如下：

圖4

5 結(jié)論

本文本文以18650鋰離子電池陣列為研究對象，為18650鋰離子電池陣列在電池陣列組成、均衡、及管理的應(yīng)用設(shè)計思路和均衡性問題進(jìn)行了分析和研究，對18650鋰離子電池陣列在便攜式應(yīng)急電源中應(yīng)用提供了有很好的參考價值的理論依據(jù)。