電動自行車鋰離子電池控制與保護(hù)

王棟　肖磊　耿娜　吳宗江　高黨尋

摘要：鋰離子電池以其比容大、壽命長、環(huán)保性高的優(yōu)勢，越來越多地被用于電動自行車中，但是鋰離子化學(xué)性質(zhì)活潑，過充電、過放電、溫度過高等都會引起安全事故，因此需要保護(hù)電路，防止事故的發(fā)生。此文對電動自行車鋰離子電池的工作原理，以及存在的問題和保護(hù)措施進(jìn)行簡要剖析，并對未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：電動自行車;鋰離子電池;控制;保護(hù)

1? ? 前言

自“十四五”以來，以習(xí)近平總書記為核心的黨中央指出，在能源消費(fèi)方面要改變一煤獨(dú)大的局面，走上綠色節(jié)能的新道路。中國是能源消耗大國，各行各業(yè)都面臨著能源改革，在人們的出行方面，自行車是最為綠色低碳的交通工具之一。隨著科技的發(fā)展，以及老齡化輕松代步和年輕人運(yùn)動健身等個性化需求，電動自行車在我國獲得了長足發(fā)展，中國電動自行車的產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，受眾也在不斷增多。尤其在2020年，受疫情等多方面因素影響，電動自行車總銷量突破4 000萬臺，估計(jì)2021年的銷量數(shù)據(jù)會有更大的突破。

在電動自行車銷量不斷增加的同時，其關(guān)鍵部件——電池的安全性也越來越受到人們的關(guān)注。目前，電動自行車電池多采用鉛酸蓄電池，除此之外，鎳氫電池、鋰離子電池等也被廣泛應(yīng)用。在上述電池中，鉛酸蓄電池以價格低廉的優(yōu)勢最為常用，其所含污染成分較少，可回收性強(qiáng)，但較小的比容量限制了它的使用范圍;相較鉛酸蓄電池，鎳氫電池的比容量要大很多，單體電池的壽命較長，但是一旦發(fā)生過充電，就會導(dǎo)致電池整組快速失效，因此其發(fā)展制約性較大;而鋰離子電池的比容量在三者之中最大，相同的容量，其質(zhì)量（重量）最小，便攜性較為優(yōu)越，且壽命要優(yōu)于鎳氫電池，環(huán)保性較高。目前，手機(jī)幾乎都是采用單體鋰離子電池，因動力原因，電動自行車需要采用串聯(lián)鋰離子電池組，但是鋰離子電池在充放電過程中會因使用不當(dāng)，而發(fā)生爆炸，目前針對其的保護(hù)電路成本較高。

綜上所述，在比容量、壽命及體積方面，鋰離子電池有著上述其他兩種電池?zé)o法取代的優(yōu)勢，但是需要額外設(shè)計(jì)保護(hù)電路。鋰離子電池的質(zhì)量（重量）較之鉛酸蓄電池等輕便，可以有效減輕電動自行車負(fù)載，從而可以控制整個自行車的質(zhì)量（重量）。因此，鋰離子電池是成為新一代電動自行車電池的最佳選擇[1]，其在電動自行車上的應(yīng)用潛力較大，但是要充分考慮成本問題。

2? ? 電動自行車鋰離子電池簡介

鋰離子電池是一種二次電池，通過鋰離子在正負(fù)極之間的移動來實(shí)現(xiàn)充放電。在這一過程中，鋰離子在兩個電極之間往返運(yùn)動，不斷地進(jìn)行嵌入和脫嵌工作：在充電時，鋰離子從正級脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，此時負(fù)極處于富鋰狀態(tài);在放電時，鋰離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極。其充放電過程中的化學(xué)反應(yīng)式可以表示如下[2]：

鋰離子電池的工作過程如圖1所示：

鋰離子電池負(fù)責(zé)為電動自行車提供電能，其將電能輸送給控制器，控制器將其處理成符合電機(jī)工作的電壓后，輸送給電機(jī)，來帶動電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而推動電動自行車移動。控制器不僅連接著電機(jī)，還負(fù)責(zé)執(zhí)行轉(zhuǎn)把中的調(diào)速命令，即：電動自行車的轉(zhuǎn)把中的調(diào)速裝置給出的轉(zhuǎn)速，接收到不同的電壓值，進(jìn)一步根據(jù)該值來調(diào)節(jié)電機(jī)電壓的大小，從而達(dá)到轉(zhuǎn)把設(shè)定速度的要求。此外，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也需要實(shí)時反饋給控制器，從而達(dá)到監(jiān)控電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。具體的控制框圖如圖2所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了達(dá)到設(shè)定的電壓值，如48 V、36 V或者24 V等，鋰離子電池多采用串聯(lián)成組的形式，如圖3所示。鋰離子電池組還需要管理系統(tǒng)以保證電池正常穩(wěn)定的工作以及數(shù)據(jù)采集，為此，整個管理系統(tǒng)還需要微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電池保護(hù)模塊、通信模塊以及電池均衡模塊等。具體的電路圖可以參見賈小龍的《48V鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》[3]。

3? ? 鋰離子電池的保護(hù)電路、鋰離子電池存在的問題與解決方法

3.1? ? 鋰離子電池的保護(hù)電路

鋰離子電池的電解液、電池的制造工藝，以及外部電路的不規(guī)范等都會導(dǎo)致鋰離子電池的安全事故。鋰離子電池的安全事故主要是引起短路、斷路，以及起火爆炸等[4]。因此，安全起見，鋰離子電池在使用中不能過充電、過放電、過電流，否則會減少鋰離子電池的壽命，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電池爆炸[5]。為了避免上述情況的發(fā)生，我們有必要對鋰離子電池設(shè)計(jì)保護(hù)電路。

通常，鋰離子電池的保護(hù)電路框架如圖4所示。在圖4中，VDD為電源端（+）、GND為接地端（-），VM和VN分別為充電和放電控制端，VM控制MOSFET管M1的通斷以對電池進(jìn)行過充電保護(hù)，VN控制MOSFET管M2的通斷以對電池進(jìn)行過放電保護(hù)，D1和D2分別為M1和M2的寄生二極管，主要是利用二極管單向?qū)ǖ奶匦裕诔浞烹娀芈返腗OSFET管關(guān)閉時，保證一個充放電回路。CS端在電路發(fā)生異常情況下，負(fù)責(zé)對電壓進(jìn)行監(jiān)測，TS端用于電池和芯片溫度的監(jiān)測。VCC（+）和VSS（-）為鋰離子電池的正極和負(fù)極，用來接充電器（充電時）或負(fù)載（放電時）。

目前，鋰離子電池的保護(hù)電路多采用集成電路的形式，如基于PWM芯片[6]，此外還有基于單片機(jī)[7]、CPLD[8]等控制形式，這都給鋰離子電池的保護(hù)提供了安全有力的技術(shù)支持與保障。

3.2? ? 鋰離子電池存在的問題與解決方法

在圖4所示框圖中，鋰離子電池保護(hù)電路含有兩個MOSFET管 （以下簡稱“MOS管”）。MOS管具有驅(qū)動簡單、噪聲低、輸入阻抗高、導(dǎo)通阻抗低、導(dǎo)通損耗小等明顯優(yōu)勢，但是在條件較為惡劣的環(huán)境中，比如溫度過高、電壓較大、電流較大等情況下，加上一定概率的短路，MOS管容易出現(xiàn)失效的現(xiàn)象。MOS管失效對鋰離子電池的工作可靠性以及工作壽命都會有較大影響。因此，在電池出廠前，相關(guān)人員需要對電池的封裝進(jìn)行掃描、測試，以防止內(nèi)部MOS管失效。

此外，鋰離子電池因其自身特點(diǎn)，在充電和放電等過程中，要對其進(jìn)行有效的控制，尤其在超高溫情況下，有必要對上述保護(hù)電路設(shè)置二次保護(hù)電路，從而在一定程度上減少由電池引起爆炸等安全事故。沈海波通過設(shè)計(jì)過充二次保護(hù)芯片，并結(jié)合貼片式自動熔斷器的形式，實(shí)現(xiàn)對小功率鋰離子電池二次保護(hù)功能[9]。日本LAPIS公司于2016年開發(fā)出鋰離子電池組用二次保護(hù)集成電路，該保護(hù)電路可以在一次保護(hù)因故障無法工作時，提供二次保護(hù)，從而有效提高電池的可靠性[10]。此外，我們還可以通過添加保險絲，比如Fuse普通保險絲、PTC溫度保險絲，以及SCP三端保險絲等，來完成上述電路的二次保護(hù)。

4? ? 關(guān)于鋰離子電池的幾點(diǎn)建議

上述內(nèi)容從技術(shù)層面分析了鋰離子電池的工作原理和控制保護(hù)，以及存在的問題和解決方法。未來，鋰離子電池的發(fā)展必然朝著低成本、輕量型、智能化的方向發(fā)展，未來新興材料的發(fā)現(xiàn)，也對鋰離子電池的發(fā)展有著重要的影響。此外，鋰離子電池的保護(hù)電路也會朝著集成化和智能化方向發(fā)展。因此，在確保安全的情況下，鋰離子電池必然會成為未來電動自行車用電池的主力。

關(guān)于電動自行車鋰離子電池的生產(chǎn)和使用，本文作者有如下建議：

1. 在電動自行車鋰離子電池設(shè)計(jì)方面，要綜合考慮所有可能出現(xiàn)的安全問題，通過設(shè)計(jì)監(jiān)測模塊，主動及時監(jiān)測以及預(yù)見各種可能出現(xiàn)的狀態(tài)，提升電池的安全性和可靠性。

2. 在鋰離子電池出廠前，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)測試和品控管理，確保電池的穩(wěn)定性。

3. 用戶要從正規(guī)渠道購買鋰離子電池，并且在使用前了解并熟知安全操作規(guī)程，確保使用過程中萬無一失。

參考文獻(xiàn)

[1]賀元驊，余興科，樊榕，智茂永.動力鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究進(jìn)展[J/OL].電池：1-6[2022-04-18].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/43.1129.TM.20210820.0921.002.html.

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[3] 賈小龍.48V鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2014.

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[6] 汪俊，王毅.基于專用PWM芯片的鋰電池充電電路設(shè)計(jì)[J].電子制作，2021（10）：8—10+65.

[7] 王宇野，莊錦濤.基于單片機(jī)的磷酸鐵鋰電池組充放電電路設(shè)計(jì)[J].閩南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，34（01）：95—100.

[8] 李燕.一種基于CPLD的鋰離子電池充放電保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J].科技視界，2019，274（16）：170—172.

[9] 沈海波.一種有效的鋰電池過充二次保護(hù)設(shè)計(jì)的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)，2021（03）：10—12+32.

[10]日經(jīng)，日本LAPIS公司推出支持14個單元串聯(lián)的鋰電池二次保護(hù)IC[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2016（07）：33—33.