淺談航空鋰電池的控制與保護論文
鋰電池是鋰離子電池的簡稱，具有電壓高、體積小、質(zhì)量輕、比能量高、無記憶效應、無污染、自放電小、使用壽命長等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域的應用也越來越廣泛，近兩年在民航飛機B787 上得到了應用。
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、過充放電路和過溫保護線路，防止電池被過充過放電。過度充電放電和超溫，將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞，從分子層面看，可以直觀地理解，過度放電將導致負極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負極碳結(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電路出問題，鋰電池仍有發(fā)生燃燒甚至爆炸的危險。近一段時間，波音787 客機屢發(fā)故障，全球50 架投入運營的波音787 已經(jīng)全部停飛。在波士頓與高松機場波音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。日本航空公司一架波音787 在美國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 在飛行過程中疑因為電池故障而冒起煙霧，緊急降落高松機場。
波音787 航空鋰電池連續(xù)出現(xiàn)故障，其安全性有待進一步提高，保護系統(tǒng)亦有待進一步完善。分析其原因可能是單體鋰電池均衡電路、過充和過溫保護電路失效。
1 航空鋰電瓶的監(jiān)控組件BMU
航空鋰電瓶有4 個電瓶監(jiān)控組件BMU(Battery monitoringunit)，2 個溫度傳感器，1 個霍爾電流傳感器(HECS)，1 個控制接觸器組成。當電瓶出現(xiàn)異常時，如電瓶過充、過壓、充電電流過大、低壓、過熱、單格電壓不平衡時，或禁止充電或放電或使內(nèi)置接觸器跳開，保護不損壞電瓶。BMU 還具有自檢等功能，如圖1 所示。BMU 通過對鋰離子電池組的電壓、電流和溫度信號的檢測和判斷，來實現(xiàn)對電池組充放電過程中所出現(xiàn)的過充過放、過熱及均衡進行保護。電壓信號包括鋰離子電池的總電壓和單節(jié)電池的單體電壓檢測;電流信號由霍爾效應電流傳感器檢測;溫度信號由熱敏電阻1、2 測量。
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)，當出現(xiàn)故障時，向機載電瓶充電裝置(BCU)或地面充電設備(GSE)發(fā)送信號，停止對電瓶充放電。如充電設備出現(xiàn)故障，BMU 發(fā)出指令使輔助接觸器(J1)斷開電瓶與充電設備的聯(lián)系。
BMU1 有初始自檢和電池過充1 過放1、過熱、過冷和均衡監(jiān)控單元，當探測到故障時將會向BCU 發(fā)送禁止充放電信號。
BMU2 有初始自檢和過充2 監(jiān)控單元，當其檢測到故障時將會向BCU 發(fā)出禁止充電信號。
BMU3 有初始自檢、接觸器初始自檢和過充監(jiān)控單元，當
出現(xiàn)過充現(xiàn)象(單體電池電壓>4.55 V 或總電壓>36.5 V)時，BMU3 將會打開其內(nèi)置的接觸器，使電瓶充電停止。
BMU4 也具有初始自檢，電池深度過放(單節(jié)電池電壓<1.7 V)和充電電流過大(電池電流>80 A)監(jiān)控保護單元，主要用于地面充放電設備對電瓶進行維護和容量檢查。
2 鋰電池均衡控制
由于單體鋰離子電池的開路電壓只有4.03 V 左右，單獨使用無法滿足航空電源的供電要求，需要將其串聯(lián)起來構(gòu)成鋰電池組。例如，波音787 的航空鋰電瓶共有8 個單節(jié)鋰電池串聯(lián)使用。由于同一型號的鋰離子電池其內(nèi)部特性都存在差異，會導致鋰電池組中單體電池的容量差異。在對鋰電池組進行充放電的過程中，流過每一個單體電池的電流是相同的。這樣，在充電時，容量小的電池會被先充滿，這樣勢必會造成容量小的電池過充;同理，在放電過程中，容量小的放電快，容易造成過放。當出現(xiàn)過充和過放的現(xiàn)象，不僅會影響該單體電池的使用壽命，同時會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.多路開關(guān)，R1、R2......Rn為放電平衡電阻。電池組充電時充電電流I 在各節(jié)電池中都相等;當某節(jié)(例如：B2) 電池電壓高于其他電池超過某值時，MCU 控制的多路開關(guān)K2 合上，B2 通過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。此方案簡單、可靠，但電阻會消耗電能并發(fā)熱，尤其放電時，平衡電路會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電容等儲能元件的充放電，通過繼電器或者開關(guān)器件實現(xiàn)儲能元件在不均衡電池間的切換，達到電池間的能量轉(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)移主要通過電容實現(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。若兩個單體電池電壓出現(xiàn)不均衡，均衡器開始工作，BMU 控制Q1 和Q2 交替打開，下面分析其工作原理。
如圖3，若VB1>VB2，則Q1 導通，此時B1 通過Q1、L1 和D3 對C1 充電;BMU 關(guān)斷Q1 并導通Q2，此時C1 通過Q2 、D4 和L1 轉(zhuǎn)對B2 充電，一段時間后VB2=VC1。上述過程循環(huán)進行，直到VC1*=VB1*=VB2*，這樣就實現(xiàn)了從B1 到B2 的能量轉(zhuǎn)移，即實現(xiàn)了均衡。當VB2>VB1 時，平衡原理相同。電感L1 可防止Q1、Q2 導通瞬間產(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，電感作為儲能元件，通過控制開關(guān)管的工作，轉(zhuǎn)移電池儲存在電感中的能量，最后實現(xiàn)電池組均衡。在串聯(lián)鋰離子電池組中，每個電池單體旁邊都接一個由儲能電感Lm、開關(guān)Sm及續(xù)流二極管Dm組成的均衡電路模塊Mm。當模塊Mm中的Sm開通時，電池Bm開始對電感Lm充電儲能，當Sm關(guān)斷時，Lm中的能量通過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能電感的能量通過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能電感的能量則通過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。在這個均衡電路中，整個串聯(lián)電池組的能量可以傳到能量最弱的電池當中，從而保持電池之間的均衡度。若系統(tǒng)檢測到弱電池的存在，均衡電路開始動作，電路原邊的開關(guān)閉合，能量存儲到激磁電感中，當開關(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。
均衡過程中電路直接通過變壓器實現(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。缺點是變壓器內(nèi)部存在漏磁和互感的問題，且對副邊繞組的一致性要求較高;變壓器飽和的問題對電路參數(shù)設計有很高的要求。
通過以上幾種均衡電路的分析，對均衡電路總結(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_鋰電池保護電路
根據(jù)泰雷茲航空部件維修手冊24-32-70，航空鋰電池對安全性具有更高的要求，其自身帶有過充過放保護電路和過溫保護電路。鋰電池在飛機上或在地面充電必須采用專用設備，電池本身的監(jiān)控組件輸出也必須與充電設備相聯(lián)，以保證電池的安全。
3.1 過、低溫保護
熱敏電阻1 探測鋰電池的溫度，此檢測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)，將對電池進行溫度保護。
3.2 過充過放保護
BMU1 的充電禁止1 與BMU2 的充電禁止2 構(gòu)成雙重過充保護，單節(jié)電池電壓大于4.2 V，BMU1 發(fā)出充電禁止1 信號;當單格電池電壓小于2.1 V 時，BMU1 發(fā)出放電禁止1 信號，切斷電瓶向負載供電。
若單節(jié)電壓大于4.2 V，且禁止充電1 未工作，當單節(jié)電池電壓繼續(xù)上升并大于4.3 V 時，BMU2 將發(fā)送充電禁止2 信號，關(guān)閉充電設備向電池充電。
如果應充電設備失效而繼續(xù)充電或其他原因，當單節(jié)電池電壓上升到大于4.55 V 時或總電壓大于36.5 V 時，BMU3將發(fā)出信號，經(jīng)1 s 后，使內(nèi)置接觸器打開并鎖定，使電池與充電設備隔離，防止充電設備失效而繼續(xù)充電。
如果電池深度過放(單節(jié)電池電壓<1.7 V)，延時30 s，鎖存信號，發(fā)出電池故障信號;同時產(chǎn)生的低壓鎖存信號供地面充放電設備專用。
3.3 過流保護
當充電電流過大(電池電流>80 A)，延時5 s，鎖存信號，并發(fā)出電池故障信號;產(chǎn)生自測試結(jié)果信號供地面充放電設備專用。
4 結(jié)束語
本文介紹了鋰電池的均衡、過充和過溫的保護方法，航空鋰電池在維護使用過程中必須嚴格按照相關(guān)規(guī)定進行。從波音787 客機的鋰電池屢發(fā)故障可以看出，必須有效提高充電設備和保護電路的可靠性�？梢韵嘈�，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)域獲得更廣泛的應用。
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