锂动力电池组安全存放研究

杨　咚， 鲁　刚，李　晨，赵海萧（.海军驻昆明地区军事代表办事处，昆明 650000；.海军装备部军械保障部，北京0000；.昆明五威科工贸有限公司，昆明 650000）



锂动力电池组安全存放研究

杨咚1， 鲁刚2，李晨1，赵海萧3
（1.海军驻昆明地区军事代表办事处，昆明 650000；2.海军装备部军械保障部，北京100001；3.昆明五威科工贸有限公司，昆明 650000）

摘要：锂离子电池具有循环寿命长、能量密度高、电压高、自放电率低、无记忆效应等优势，特别是在大功率、高倍率放电应用方面作为储能和动力源有其它电池无法比拟的优势，但是其自身的安全性问题，制约了它的发展和推广应用。本文就锂动力电池组的安全存放方法作了一些探讨，并设计了相应的设备保证锂动力电池组的长期存放安全，取得了较理想的效果。

关键词：锂动力电池组安全性包装箱监控均衡补充电

0　引言

1990 年索尼公司首次开发出了锂离子电池，并将其推向商业市场[1]。二十几年来，锂离子电池取得了飞速的发展，已广泛应用于工业、民用、交通、军工等领域，特别是在注重短小轻薄的便携式设备上，诸如手机，数码相机，摄像机等电子消费品上得到了普及。相对于铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等其它电池，锂离子电池具有比能量高，电压平台高，无记忆效应，无污染等诸多优势，是最具潜力的环保电池。

到目前为止，锂离子电池产业的发展状况大体上为：在小容量应用方面，锂离子电池已逐步取代了镍氢、镍镉等电池，广泛应用在手机、笔记本电脑、手游设备、数码相机等便携式设备上，处于绝对垄断地位；在较大功率、较大容量应用方面，锂离子电池作为动力源有取代铅酸电池的趋势，成为矿用头灯、电动工具、电动自行车等产品的首选电源。在大容量、高倍率应用方面，锂离子电池的应用还处于起步阶段，开始在电动汽车、航空航天电源系统、水中兵器、水下运载器等方面作为储能源及动力源得到初步应用。

锂离子电池虽然在中小功率产品上的应用取得了极大的成功，但在大功率、大容量、高电压的产品上还未能实现大规模的应用，其最主要的一个原因是锂动力电池存在较大的安全风险，安全性是制约锂离子电池进一步发展的重要因素，因此保证锂动力电池存放及使用的安全已迫在眉睫。

另外，在实际应用中，锂动力电池组通常是有很多组的，并且这些电池组是分布存放的，怎样对这些锂动力电池组进行有效的监控管理是急需解决的问题。

本文就保证锂动力电池组存放安全的一些方法进行了探讨，主要是从物理隔离保护、电气监控保护、均衡补充电等方面进行阐述。

1　锂离子电池安全问题

1.1 锂离子电池的工作原理

锂离子电池是一种可充电的二次电池，它是依靠锂离子在电池正负极间的循环移动来实现电池的储能和放电过程。正极材料主要有等，负极主要有碳材料、金属氧化物，多元锂合金等，电解质为溶解了锂盐（如等）的有机溶剂。有机溶剂主要包括碳酸乙烯脂（EC）、碳酸丙烯脂（PC）、碳酸二甲脂（DMC）等。锂离子电池的化学反应式为：

锂离子二次电池的具体工作原理为：充电时，锂离子从正极脱出，经过电解液和隔膜这一桥梁而嵌入到负极材料（石墨）的层状结构中。正极材料脱出锂离子，负极材料与锂离子发生嵌入反应，电子则从负载电路运动到负极，以确保电荷的平衡，放电时则刚好相反。在正常使用情况下，电池的充放电过程，锂离子的脱出和嵌入只会引起材料的层间距变化，不会破坏晶体结构，因此，锂离子电池的充放电反应过程是可逆的，而且这种可逆性是比较好的，从而保证了锂离子电池的较长循环寿命。

1.2 锂离子电池的安全问题

锂离子电池的安全问题本质上就是锂离子电池内部的热损伤问题。在充放电过程中，电池内部化学反应产生的热如果不能迅速释放出去的话，电池的温度就会上升，而温度的升高又进一步加剧了电池内的化学反应，如此不断的恶性循环，最后将导致锂离子电池的热失控，甚至发生燃烧、爆炸等安全风险。

电池内部的热量主要来自化学反应热、焦耳热、极化热、副反应热等部分。

锂离子电池正极一侧发生的主要是活性物质的分解和有机溶剂的氧化，其中氧化有机溶剂会放出大量的热，可能会导致电池热失控。

石墨类材料是主流负极材料，所以安全性也仅限于这些碳类材料。锂离子电池负极一侧发生的反应主要有SEI膜的分解，有机溶剂的还原反应。

Dahn等人利用ARC研究了负极的热行为，证明了负极表面的SEI膜在100-130℃左右开始热分解，分解反应式如下：

SEI膜被破坏后，电解液直接与LiC6接触，溶剂被还原成烷基酯锂和等小分子气体，同时放出大量的热。

2　物理隔离保护包装箱

基于以上锂离子电池的工作原理和热反应机制，我们设计了锂动力电池组包装箱，通过物理隔离保证锂动力电池组在长期存放过程中的安全。

为了能更好的保护锂离子动力电池组的安全，电池组包装箱不仅要求能够存放锂离子电池组，还须保证其存放环境密封，以便注入氮气，隔绝氧气，阻断电池异常时燃烧的条件。

系统的机械组件主要包括包装箱体和电池架小车两部分，如图1所示，电池架小车用于承载电池组在包装箱体内移动和存放，方便用户操作。包装箱体则用于密封和存放电池组及电池架小车，保证其存放安全性。

2.1 包装箱体

包装箱体主要用于装载电池组及电池架小车，包装箱是密封的，存放电池组时还需充入氮气，保证电池组与外界环境的相对隔离，保护电池组的存放安全。如图2所示，包装箱体由舱体、左端盖、右端盖、电气箱等部分组成。

2.2 电池架小车

电池架小车由小车架、小车舱内限位座、落地支架、电池组限位块等部分组成，其中小车架底部装有滚轮和导向轮，用于进出电池舱。

如图3所示，电池架小车可方便的将整组锂动力电池推入与拉出。因此锂动力电池组在存放和使用的过程中就不必进行繁琐的单体电池安装与拆卸工作，大大减轻了相关人员的工作量，也降低了锂动力电池组存放的安全风险。

图1　锂动力申池组包装箱

图2　包装箱体

图3　申池架小车拉仕示意图

2.3 充气口与安全阀

如图4所示，端盖上设有充气口和安全阀，在电池组存放过程中可充入氮气。当电池组出现异常时，安全阀可有效泄放电池组包装箱内的压力，避免出现爆炸等严重后果。

图4　安全阀与充气阀

3　电气监控保护系统

为保证锂动力电池组存放的安全，需要长期监控电池组的各个敏感物理量。为此我们设计了一套基于CAN通信的分布式锂动力电池组监控系统。它可实时监测多个动力电池组的单体电压、整组电压、节点温度、温湿度、压力、烟雾情况等电池组的敏感参数，并对这些敏感参数进行数据管理和显示，当电池组异常时即时声光报警。

监控系统如图5所示，主要分为上位计算机、通信系统、包装箱内采集子系统等部分。

3.1 采集子系统

采集系统主要是采集锂动力电池组的单体电压，电池组的节点温度，电池箱内的温湿度、压力、烟雾情况等。采集子系统采用模块化设计，由多种采集模块构成，分别有电池电压采集模块、温湿度采集模块、压力和烟雾传感器模块、供电模块、通信模块等模块。

采集模块处理器选用飞思卡尔的高性能处理器，型号为MC9S12XET256,它是Freeseal公司生产的S12X系列单片机的一种。该单片机为双核处理器，主处理器主要负责采集数据和处理数据，协处理器主要负责CAN通信,这样系统的采集效率和数据通信能力将大幅提高。

图5　锂动力申池组监控系统原理图

单体电池电压是反应锂动力电池健康状况非常重要的一个参数，因此提高电压采样的精度是非常必要的。在电池电压输入端采用多级低通滤波技术，保证输入的稳定。AD转换芯片选用高精度低漂移的芯片，使采样分辨率达到毫伏级别。另外采样温度补偿技术，保证在恶劣的环境中采样精度依然很高。

3.2 数据通信系统

监控系统通常需要监控很多组锂动力电池，它的数据传输量是非常可观的，要求通信的传输速率高；同时监控系统须长时间监测锂电池组，要求通信的稳定性好。

监控系统数据通信严格遵守CAN 2.0B 协议，采用标准数据帧进行传输，通信速率125

kbit/s，标识符为11位，每个采集模块有一个唯一的标识符ID，通信过程中各个采集模块只响应与自身ID相符的帧数据。

为了进一步增强采集系统通信节点的抗干扰能力，本系统中单片机的CAN通信总线收发器不与驱动芯片直接相连，而是通过双通道隔离芯片ADuM1201芯片隔离后连接，这样就很好地实现了总线上各结点间的电气隔离。ADuM1201芯片，是基于ADI公司的磁耦隔离技术的数字隔离器。传输速率可达10 M，隔离电压高达2500 V，完全可满足高速CAN通信的要求。

3.3 上位计算机监控软件3.3.1数据实时采集与处理

上位计算机与下位各个电池包装箱采集系统通信，接收下位采集的数据和向下位机发送各种指令。为了实现多组锂动力电池组的实时有效监控，上位机数据显示界面采用多种显示方式，包括包括柱状图、曲线、列表等。

监控系统实时采集的数据量较大，且系统需要长时间的工作，对上位软件后台数据处理的设计必须充分考虑这一特点。为了更好的监控锂电池组的存放情况，需要对单体电池的电压、整组电池电压、节点温度、温湿度、压力、烟雾情况等数据进行采集、判别。采用SQL Server 2008数据库软件，通过指令集实现对多组锂动力电池组的存储。

3.3.2 历史数据查询

通过查询指令集，可以查询任意一组电池的相关信息，包括用户使用次数单体电池电压、温度信息、湿度信息、烟雾情况、异常信息记录、电池组使用次数、性能评估等信息。通过查询这些信息，了解锂动力电池组在整个寿命内的工作状态，对电池组性能的研究以及对电池的改进提高大量的数据参考。

3.3.3 电池性能评估

锂离子电池属于二次电池。 电池性能评估模块是根据采集的单体电池电压、电池存放时间、使用次数、容量等因素综合考虑。

对电池组的现状作出评估，为用户选用电池组提供依据。

4　均衡补充保护

为了解决锂动力电池组在长期存放过程中出现的不均衡现象和单体欠压现象，我们需要对电池组进行定期与不定期的均衡补充电。充电器需选用专门的充电系统，需有智能均衡功能。

5　结论

本文就锂动力电池组在长期存放过程中的保护提出了几点意见，并设计了相应的设备保证锂动力电池组存放的安全，取得了较好的效果。

参考文献：

[1] T.Nagamura,K.T azawa,Prog.Batteries.Sol.Cells,1990，9:20.

[2] D.D.Mac Neil and J.R.Dahn,J.Electrochem.Soc.,2001,148（11）:A1205.

[3] 鲍慧,乔立贤.基于CAN总线的锂电池储能监控系统设计与实现.2012.

Research on Safe Storage Method of Lithium Power Batteries

Yang Dong1,Lu Gang2,Li Chen1,Zhao Haixiao3
（1.Naval Representatives Office in Kunming Area,Kunming 650118,China；2.Naval Equipment Department,Beijing 100001,China;3.Kunming Wuwei Industrial and Trading Company,Kunming 650118,China）

Abstract:Lithium ion batteries have the advantages of long cycle life,high energy density,high voltage ,low self discharge rate,no memery effect and so on,especially incomparable advantages than other kinds of batteries in the high-power,high rate discharge point applications in energy storage and power source,but self-security own,restricts their development and application.This paper probes into safe storage method of lithium power batteries,and designs corresponding equipment to ensure the lithium batteries and long-term storage security with good results.

Keywords:lithium power batteries;safety;packaging box;monitoring;balanced added electric.

作者简介：杨咚（1973-），男，高级工程师。 研究方向：水中兵器。

收稿日期：2015-11-09

中图分类号：TM911

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）01-0005-04