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(jì)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(shí)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(shí)間，檢修位置分散時(shí)，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(yàn)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(shí)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(xiǎn)絲以電壓保護(hù)器等實(shí)現(xiàn)的。一般采用的先將多個(gè)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(diǎn)

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(jī)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?yàn)?8650鋰離子電池在充電時(shí)，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(shí)間增長而增加，其鋰電池阻抗分為三個(gè)部分形成，即歐姆部分、在短時(shí)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(shí)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(qiáng)常溫荷電保持能力，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(gè)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(shí)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(jì)。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(diǎn)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(diǎn)在于：電池陣列工作時(shí)可靠性高，成本較低，缺點(diǎn)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(jì)為可外部并聯(lián)擴(kuò)充的模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，每個(gè)18650鋰電池包由112個(gè)3.2V/2.5AH的單體電芯依次串并聯(lián)而成，單模塊設(shè)計(jì)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(jì)。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(gè)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(gè)鋰電池組性能出現(xiàn)急劇惡化，會影響到整個(gè)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)，這種模式的均衡在均衡時(shí)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(diǎn)，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(dú)立的DC－DC轉(zhuǎn)換器；相鄰電池均衡

a)均衡控制設(shè)計(jì)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(diǎn)，其主要特點(diǎn)是在電池陣列循環(huán)使用過程中，可以實(shí)時(shí)對各單體之間實(shí)現(xiàn)SOC均衡，能量轉(zhuǎn)移型電路較為復(fù)雜，主要設(shè)計(jì)思路如下圖：

圖2

為實(shí)現(xiàn)均衡控制，采用了專用控制管理芯片(如LTC6803)，實(shí)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(gè)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(shí)時(shí)開關(guān)管導(dǎo)通放電，過低時(shí)關(guān)閉繼續(xù)充電，以實(shí)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(shí)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(jì)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(shí)，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(jì)算、通信及對電池組中電芯的控制管理的作用是增強(qiáng)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(shí)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(jī)理，能在大小、時(shí)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(shí)時(shí)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(jì)結(jié)構(gòu)

鋰電池陣列設(shè)計(jì)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(jì)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(jià)值的理論依據(jù)。