淺談航空鋰電池的控制與保護(hù)論文

　　“鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀(jì)70年代時(shí)，M. S. Whittingham提出并開(kāi)始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長(zhǎng)期沒(méi)有得到應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的：淺談航空鋰電池的控制與保護(hù)相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!

　　淺談航空鋰電池的控制與保護(hù)全文如下：

　　鋰電池是鋰離子電池的簡(jiǎn)稱，具有電壓高、體積小、質(zhì)量輕、比能量高、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、自放電小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，近兩年在民航飛機(jī)B787 上得到了應(yīng)用。

　　為了提高鋰電池安全性，鋰電池本身(作為電池的一部分)均需有均衡電路、過(guò)充放電路和過(guò)溫保護(hù)線路，防止電池被過(guò)充過(guò)放電。過(guò)度充電放電和超溫，將對(duì)鋰離子電池的正負(fù)極造成永久的損壞，從分子層面看，可以直觀地理解，過(guò)度放電將導(dǎo)致負(fù)極碳過(guò)度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，過(guò)度充電將把太多的鋰離子硬塞進(jìn)負(fù)極碳結(jié)構(gòu)里去，以至于造成電池發(fā)熱冒煙甚至爆炸等故障。這也是鋰離子電池為什么通常配有充放電控制電路的原因。

　　如果電池本身的控制和保護(hù)電路出問(wèn)題，鋰電池仍有發(fā)生燃燒甚至爆炸的危險(xiǎn)。近一段時(shí)間，波音787 客機(jī)屢發(fā)故障，全球50 架投入運(yùn)營(yíng)的波音787 已經(jīng)全部停飛。在波士頓與高松機(jī)場(chǎng)波音787 故障事件中，電池均出現(xiàn)異常和損壞，鋰電池成為關(guān)注的焦點(diǎn)。日本航空公司一架波音787 在美國(guó)波士頓因電池起火致客艙冒煙;日本全日空航空公司一架波音787 在飛行過(guò)程中疑因?yàn)殡姵毓收隙捌馃熿F，緊急降落高松機(jī)場(chǎng)。

　　波音787 航空鋰電池連續(xù)出現(xiàn)故障，其安全性有待進(jìn)一步提高，保護(hù)系統(tǒng)亦有待進(jìn)一步完善。分析其原因可能是單體鋰電池均衡電路、過(guò)充和過(guò)溫保護(hù)電路失效。

　　1 航空鋰電瓶的監(jiān)控組件BMU

　　航空鋰電瓶有4 個(gè)電瓶監(jiān)控組件BMU(Battery monitoringunit)，2 個(gè)溫度傳感器，1 個(gè)霍爾電流傳感器(HECS)，1 個(gè)控制接觸器組成。當(dāng)電瓶出現(xiàn)異常時(shí)，如電瓶過(guò)充、過(guò)壓、充電電流過(guò)大、低壓、過(guò)熱、單格電壓不平衡時(shí)，或禁止充電或放電或使內(nèi)置接觸器跳開(kāi)，保護(hù)不損壞電瓶。BMU 還具有自檢等功能，如圖1 所示。BMU 通過(guò)對(duì)鋰離子電池組的電壓、電流和溫度信號(hào)的檢測(cè)和判斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組充放電過(guò)程中所出現(xiàn)的過(guò)充過(guò)放、過(guò)熱及均衡進(jìn)行保護(hù)。電壓信號(hào)包括鋰離子電池的總電壓和單節(jié)電池的單體電壓檢測(cè);電流信號(hào)由霍爾效應(yīng)電流傳感器檢測(cè);溫度信號(hào)由熱敏電阻1、2 測(cè)量。

　　航空鋰電池的監(jiān)控組件(BMU) 由主監(jiān)控組件BMU1、BMU2 和輔助監(jiān)控組件BMU3、BMU4 構(gòu)成。BMU 監(jiān)控電瓶的各種工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，向機(jī)載電瓶充電裝置(BCU)或地面充電設(shè)備(GSE)發(fā)送信號(hào)，停止對(duì)電瓶充放電。如充電設(shè)備出現(xiàn)故障，BMU 發(fā)出指令使輔助接觸器(J1)斷開(kāi)電瓶與充電設(shè)備的聯(lián)系。

　　BMU1 有初始自檢和電池過(guò)充1 過(guò)放1、過(guò)熱、過(guò)冷和均衡監(jiān)控單元，當(dāng)探測(cè)到故障時(shí)將會(huì)向BCU 發(fā)送禁止充放電信號(hào)。

　　BMU2 有初始自檢和過(guò)充2 監(jiān)控單元，當(dāng)其檢測(cè)到故障時(shí)將會(huì)向BCU 發(fā)出禁止充電信號(hào)。

　　BMU3 有初始自檢、接觸器初始自檢和過(guò)充監(jiān)控單元，當(dāng)

　　出現(xiàn)過(guò)充現(xiàn)象(單體電池電壓>4.55 V 或總電壓>36.5 V)時(shí)，BMU3 將會(huì)打開(kāi)其內(nèi)置的接觸器，使電瓶充電停止。

　　BMU4 也具有初始自檢，電池深度過(guò)放(單節(jié)電池電壓<1.7 V)和充電電流過(guò)大(電池電流>80 A)監(jiān)控保護(hù)單元，主要用于地面充放電設(shè)備對(duì)電瓶進(jìn)行維護(hù)和容量檢查。

　　2 鋰電池均衡控制

　　由于單體鋰離子電池的開(kāi)路電壓只有4.03 V 左右，單獨(dú)使用無(wú)法滿足航空電源的供電要求，需要將其串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成鋰電池組。例如，波音787 的航空鋰電瓶共有8 個(gè)單節(jié)鋰電池串聯(lián)使用。由于同一型號(hào)的鋰離子電池其內(nèi)部特性都存在差異，會(huì)導(dǎo)致鋰電池組中單體電池的容量差異。在對(duì)鋰電池組進(jìn)行充放電的過(guò)程中，流過(guò)每一個(gè)單體電池的電流是相同的。這樣，在充電時(shí)，容量小的電池會(huì)被先充滿，這樣勢(shì)必會(huì)造成容量小的電池過(guò)充;同理，在放電過(guò)程中，容量小的放電快，容易造成過(guò)放。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)充和過(guò)放的現(xiàn)象，不僅會(huì)影響該單體電池的使用壽命，同時(shí)會(huì)影響到鋰電池組的整體放電能力和出現(xiàn)電池故障。因此，鋰電池必需具有均衡電路。

　　目前鋰電池采用的均衡方法主要有：電阻均衡、電容均衡和電感式均衡。

　　2.1 電阻均衡

　　電阻均衡原理圖。

　　B1、B2.....Bn 為組成鋰離子電池組的各單元電池，K1,K2......Kn 為管理控制系統(tǒng)(MCU)控制的多路開(kāi)關(guān)，R1、R2......Rn為放電平衡電阻。電池組充電時(shí)充電電流I 在各節(jié)電池中都相等;當(dāng)某節(jié)(例如：B2) 電池電壓高于其他電池超過(guò)某值時(shí)，MCU 控制的多路開(kāi)關(guān)K2 合上，B2 通過(guò)R2 分流，使B2 電壓下降，保證鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方案簡(jiǎn)單、可靠，但電阻會(huì)消耗電能并發(fā)熱，尤其放電時(shí)，平衡電路會(huì)白白消耗了鋰離子電池組的電能。

　　2.2 電容均衡

　　電容均衡是利用電池對(duì)電容等儲(chǔ)能元件的充放電，通過(guò)繼電器或者開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能元件在不均衡電池間的切換，達(dá)到電池間的能量轉(zhuǎn)移的目的。

　　均衡模塊，由電感L1、能量轉(zhuǎn)移電容C1、二極管D1、D2、D3、D4 和功率MOSFET 組成。2 節(jié)電池間的能量轉(zhuǎn)移主要通過(guò)電容實(shí)現(xiàn)，電池組中的電壓差和受控MOSFET 決定了電池能量的轉(zhuǎn)移方向。若兩個(gè)單體電池電壓出現(xiàn)不均衡，均衡器開(kāi)始工作，BMU 控制Q1 和Q2 交替打開(kāi)，下面分析其工作原理。

　　如圖3，若VB1>VB2，則Q1 導(dǎo)通，此時(shí)B1 通過(guò)Q1、L1 和D3 對(duì)C1 充電;BMU 關(guān)斷Q1 并導(dǎo)通Q2，此時(shí)C1 通過(guò)Q2 、D4 和L1 轉(zhuǎn)對(duì)B2 充電，一段時(shí)間后VB2=VC1。上述過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，直到VC1*=VB1*=VB2*，這樣就實(shí)現(xiàn)了從B1 到B2 的能量轉(zhuǎn)移，即實(shí)現(xiàn)了均衡。當(dāng)VB2>VB1 時(shí)，平衡原理相同。電感L1 可防止Q1、Q2 導(dǎo)通瞬間產(chǎn)生沖擊的電流。

　　2.3 電感式均衡

　　2.3.1 電感均衡

　　電感均衡同電容均衡一樣，電感作為儲(chǔ)能元件，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的工作，轉(zhuǎn)移電池儲(chǔ)存在電感中的能量，最后實(shí)現(xiàn)電池組均衡。在串聯(lián)鋰離子電池組中，每個(gè)電池單體旁邊都接一個(gè)由儲(chǔ)能電感Lm、開(kāi)關(guān)Sm及續(xù)流二極管Dm組成的均衡電路模塊Mm。當(dāng)模塊Mm中的Sm開(kāi)通時(shí)，電池Bm開(kāi)始對(duì)電感Lm充電儲(chǔ)能，當(dāng)Sm關(guān)斷時(shí)，Lm中的能量通過(guò)Dm平均釋放到電池組中的其他電池單體中。上游單體電池的旁路儲(chǔ)能電感的能量通過(guò)二極管釋放到單體電池的下游電池，下游單體電池的旁路儲(chǔ)能電感的能量則通過(guò)二極管釋放到該單體電池的上游電池中。

　　2.3.2 變壓器均衡

　　該均衡電路只有一根磁芯，變壓器原邊接在串聯(lián)電池組端，副邊則分別與電池單元相連接，副邊的數(shù)量與所使用的電池單元數(shù)量相同。在這個(gè)均衡電路中，整個(gè)串聯(lián)電池組的能量可以傳到能量最弱的電池當(dāng)中，從而保持電池之間的均衡度。若系統(tǒng)檢測(cè)到弱電池的存在，均衡電路開(kāi)始動(dòng)作，電路原邊的開(kāi)關(guān)閉合，能量存儲(chǔ)到激磁電感中，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷后，這些能量傳入電壓較低的電池單元中。單體電池的電壓越低，它的電抗就越小，因而感應(yīng)電流越大。每一節(jié)單體獲得的均衡電流與其SOC 成反比。

　　均衡過(guò)程中電路直接通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)電池組中高能量單體向低能量單體放電，在均衡的速度和效率方面有一定的優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是變壓器內(nèi)部存在漏磁和互感的問(wèn)題，且對(duì)副邊繞組的一致性要求較高;變壓器飽和的問(wèn)題對(duì)電路參數(shù)設(shè)計(jì)有很高的要求。

　　通過(guò)以上幾種均衡電路的分析，對(duì)均衡電路總結(jié)。航空鋰電池的電流和功率都比較大，故可采用電感式均衡。

　　3 航空_鋰電池保護(hù)電路

　　根據(jù)泰雷茲航空部件維修手冊(cè)24-32-70，航空鋰電池對(duì)安全性具有更高的要求，其自身帶有過(guò)充過(guò)放保護(hù)電路和過(guò)溫保護(hù)電路。鋰電池在飛機(jī)上或在地面充電必須采用專用設(shè)備，電池本身的監(jiān)控組件輸出也必須與充電設(shè)備相聯(lián)，以保證電池的安全。

　　3.1 過(guò)、低溫保護(hù)

　　熱敏電阻1 探測(cè)鋰電池的溫度，此檢測(cè)的溫度必須與外界環(huán)境溫度的差值在±5 ℃之內(nèi)。熱敏電阻2 檢測(cè)航空鋰電池的工作溫度，其范圍-18~+70 ℃，若不在此溫度范圍內(nèi)，將對(duì)電池進(jìn)行溫度保護(hù)。

　　3.2 過(guò)充過(guò)放保護(hù)

　　BMU1 的充電禁止1 與BMU2 的充電禁止2 構(gòu)成雙重過(guò)充保護(hù)，單節(jié)電池電壓大于4.2 V，BMU1 發(fā)出充電禁止1 信號(hào);當(dāng)單格電池電壓小于2.1 V 時(shí)，BMU1 發(fā)出放電禁止1 信號(hào)，切斷電瓶向負(fù)載供電。

　　若單節(jié)電壓大于4.2 V，且禁止充電1 未工作，當(dāng)單節(jié)電池電壓繼續(xù)上升并大于4.3 V 時(shí)，BMU2 將發(fā)送充電禁止2 信號(hào)，關(guān)閉充電設(shè)備向電池充電。

　　如果應(yīng)充電設(shè)備失效而繼續(xù)充電或其他原因，當(dāng)單節(jié)電池電壓上升到大于4.55 V 時(shí)或總電壓大于36.5 V 時(shí)，BMU3將發(fā)出信號(hào)，經(jīng)1 s 后，使內(nèi)置接觸器打開(kāi)并鎖定，使電池與充電設(shè)備隔離，防止充電設(shè)備失效而繼續(xù)充電。

　　如果電池深度過(guò)放(單節(jié)電池電壓<1.7 V)，延時(shí)30 s，鎖存信號(hào)，發(fā)出電池故障信號(hào);同時(shí)產(chǎn)生的低壓鎖存信號(hào)供地面充放電設(shè)備專用。

　　3.3 過(guò)流保護(hù)

　　當(dāng)充電電流過(guò)大(電池電流>80 A)，延時(shí)5 s，鎖存信號(hào)，并發(fā)出電池故障信號(hào);產(chǎn)生自測(cè)試結(jié)果信號(hào)供地面充放電設(shè)備專用。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了鋰電池的均衡、過(guò)充和過(guò)溫的保護(hù)方法，航空鋰電池在維護(hù)使用過(guò)程中必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。從波音787 客機(jī)的鋰電池屢發(fā)故障可以看出，必須有效提高充電設(shè)備和保護(hù)電路的可靠性。可以相信，隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，鋰電池由于其優(yōu)越的性能，必將在航空領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。