基于電量影響下的鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性分析

李 勇，楊佩蕓，馬瑞雪，孫明威，王曉冬

（1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027；2.成都理工大學(xué) 商學(xué)院，四川 成都 610059；3.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

1 鋰離子電池電量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 采樣設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，對(duì)鋰離子電池的電池電量進(jìn)行檢測(cè)的方法主要有兩種：第一種是以電流積分作為基礎(chǔ)；第二種是以電壓測(cè)量作為基礎(chǔ)。電流積分方法使用范圍較為廣泛，但是在實(shí)際采樣中采樣精度需要進(jìn)一步調(diào)整。一般來說，10 A以下的系統(tǒng)，會(huì)應(yīng)用采樣電阻作為傳感器設(shè)備。在對(duì)電池組進(jìn)行采樣統(tǒng)計(jì)時(shí)，主要有充電和放電兩個(gè)環(huán)節(jié)。充電時(shí)，采樣電路的電壓為正，放電時(shí)為負(fù)。單片機(jī)只能對(duì)正電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。因此，采樣過程要將放電時(shí)的負(fù)電壓轉(zhuǎn)化為正電壓，之后再進(jìn)行下一步處理。系統(tǒng)中，電流的采樣電壓范圍為-2.5～+2.5 V，其中-2.5～0 V為放電電流，0～2.5 V為充電電流。采樣設(shè)計(jì)中，參考電壓為2.5 V，反向疊加后的電壓可以通過反相器衰減到0～2.5 V。之后，將采樣后的數(shù)值和1.25 V進(jìn)行比較，大于1.25 V為放電狀態(tài)，容量相減；反之，相加[1]。

1.2 數(shù)據(jù)采集

電流數(shù)據(jù)的采樣工作受到溫度的影響。根據(jù)鋰離子電池的特征，在其工作溫度的范圍內(nèi)，每20 ℃劃分一個(gè)采樣區(qū)間。以充電電流為例，可以得到電流值，如表1所示。

表1 鋰離子電池充電電流不同溫度電流值

表1為不同溫度條件下的電流情況，主要是應(yīng)用霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)量和記錄。但是，在實(shí)際操作中，該項(xiàng)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較大誤差，所以需要進(jìn)行校正，降低偏差。

1.3 計(jì)算方法

在進(jìn)行計(jì)算的過程中，要明確鋰離子電池的電量計(jì)算原理。在系統(tǒng)充電的情況下，充電電流只會(huì)對(duì)電池組的剩余可用容量產(chǎn)生影響，放電電流和系統(tǒng)會(huì)對(duì)工作電流情況下的RM與DCR產(chǎn)生影響。計(jì)算過程中，要重點(diǎn)關(guān)注電流采樣和溫度變化，避免出現(xiàn)容量誤差。循環(huán)過程中，不斷積累會(huì)使誤差逐漸擴(kuò)大。對(duì)此，計(jì)算時(shí)可以采用三段式校正方法，即5%容量校正、100%容量校正和電壓校正等。比如，當(dāng)充電額定電壓值為41.5 V時(shí)，實(shí)際充電的電壓大于額定電壓時(shí)，需要將容量設(shè)定為100%；放電到30 V時(shí)，容量設(shè)定為5%，此時(shí)運(yùn)用y=2 346.87-1.045 6x進(jìn)行校正計(jì)算。其中，y為額定電壓狀態(tài)下，電池內(nèi)部剩余的容量；x為鋰離子電池的循環(huán)使用壽命。校正時(shí)，可以根據(jù)上述公式先計(jì)算得出35 V對(duì)應(yīng)的容量值，之后將其與RM寄存器進(jìn)行比較。當(dāng)大于寄存器內(nèi)容值時(shí)，RM保持不變；當(dāng)小于寄存器內(nèi)容值時(shí)，將RM寄存器內(nèi)容量值進(jìn)行調(diào)整。通過系統(tǒng)計(jì)數(shù)器，可以對(duì)鋰離子電池充電和放電的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。處于非工作狀態(tài)時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)發(fā)生充電行為時(shí)，將計(jì)時(shí)器清零。

2 電量對(duì)鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性的影響

2.1 額定容量的影響

對(duì)鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性受電量影響進(jìn)行分析時(shí)，分別對(duì)不同額定容量并處于出廠狀態(tài)的同一型號(hào)鋰離子電池進(jìn)行了熱穩(wěn)定試驗(yàn)。在確保安全的前提下，對(duì)發(fā)生初爆溫度和二次燃燒爆炸時(shí)的溫度分別進(jìn)行記錄，分析和探究額定容量對(duì)鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性的影響，具體情況如圖1所示。

圖1 不同額定容量鋰離子電池的初爆和二次燃燒溫度

根據(jù)圖1可以看出，額定容量為1 500 mA的鋰離子電池，試驗(yàn)中初爆溫度和二次燃燒溫度呈現(xiàn)出2種不同容量的高值，具體溫度為332 ℃和429 ℃。可見，在3種不同額定容量的鋰離子電池中，該型號(hào)的電池具有較高的熱穩(wěn)定性。當(dāng)額定容量不斷增大時(shí)，鋰離子電池的初爆溫度和二次燃燒溫度會(huì)同時(shí)降低。可以得出，在其他條件相同時(shí)，鋰離子電池的熱穩(wěn)定性會(huì)受到額定電量的影響，且額定電量越大，熱穩(wěn)定性越低[2]。此外，當(dāng)電池的最大額定容量從2 800 mA降低到2 200 mA時(shí)，雖然初爆溫度和二次燃燒的溫度有小幅度提升，但是從總體趨勢(shì)來看，在較高的額定容量情況下，電池的額定容量降低并不會(huì)使其熱穩(wěn)定性得到顯著提升。所以，在鋰離子電池開放運(yùn)輸中，要對(duì)額定容量高于1 500 mA型號(hào)的電池進(jìn)行限制或者采取針對(duì)性的控制措施。

2.2 SOC的影響

不同SOC狀態(tài)下的鋰離子電池，熱穩(wěn)定性會(huì)呈現(xiàn)不同的特征。通過試驗(yàn)和觀察方式，可以對(duì)其初爆溫度和二次燃燒的溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體如圖2所示。

可見，當(dāng)鋰離子電池的SOC逐漸上升時(shí)，初爆和二次燃燒的溫度降低，表明鋰離子電池的熱穩(wěn)定性在逐漸降低，即鋰離子電池發(fā)生爆炸和燃燒的風(fēng)險(xiǎn)幾率在提升。此外，鋰離子電池的SOC從0%上升到100%的過程中，電池的初爆溫度僅降低了24 ℃，說明鋰離子電池的SOC對(duì)電池的初爆影響并不明顯。在SOC上升的過程中，二次燃燒的溫度發(fā)生了巨變，從375 ℃降低了110 ℃，表明鋰離子電池對(duì)二次燃燒會(huì)產(chǎn)生明顯影響。對(duì)鋰離子電池SOC進(jìn)行控制，可以一定程度上提高電池運(yùn)輸環(huán)節(jié)中的安全，降低火災(zāi)等風(fēng)險(xiǎn)問題的產(chǎn)生。目前，大部分鋰離子電池在出廠狀態(tài)下的SOC約為50%。此種狀態(tài)下，鋰離子電池的二次燃燒溫度約為311 ℃。根據(jù)上述研究的結(jié)論可以得出，對(duì)SOC進(jìn)行控制并使其始終保持在較低水平，有助于降低鋰離子電池運(yùn)輸環(huán)節(jié)中的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 不同SOC狀態(tài)下鋰離子電池的初爆溫度和二次燃燒溫度

3 基于電量影響下的鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性分析

鋰離子電池的熱穩(wěn)定性和電量之間存在密切關(guān)聯(lián)。

第一，試驗(yàn)中，鋰離子電池的燃燒狀態(tài)基本呈現(xiàn)出兩種形式，即初爆和二次燃燒。

第二，鋰離子電池的熱穩(wěn)定性，受電池電量的影響十分顯著。鋰離子電池的穩(wěn)定性系數(shù)，會(huì)隨著額定容量和SOC數(shù)值的增加而降低，呈現(xiàn)出反比例關(guān)系[3]。SOC數(shù)值的變化對(duì)鋰離子電池初爆問題的影響較小，對(duì)二次燃燒具有顯著影響。

第三，鋰離子電池的運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，需要對(duì)其額定容量進(jìn)行管理和控制。將鋰離子電池的最大額定容量控制在1 500 mA以內(nèi)，以此提高鋰離子電池在運(yùn)輸環(huán)節(jié)中的安全性。此外，針對(duì)額定容量高于1 500 mA的鋰離子電池，要采取限制運(yùn)輸和提高監(jiān)管的方式，確保電池在運(yùn)輸流通領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)可以被控制。要求鋰離子電池運(yùn)輸中SOC數(shù)值在10%以內(nèi)，為使用安全提供有力保障。

4 結(jié) 論

綜上所述，鋰離子電池的熱穩(wěn)定性與電池電量存在明顯的聯(lián)系。因此，探究二者關(guān)系的過程中，可以通過采樣設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集和優(yōu)化計(jì)算方法等方式優(yōu)化鋰離子電池的熱穩(wěn)定性，并分析判斷鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性與電量的關(guān)系，以提供相關(guān)參考。