淺談航空鋰電池的控制與保護論文

　　“鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出並研究。20世紀70年代時，M. S. Whittingham提出並開始研究鋰離子電池。由於鋰金屬的化學特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、儲存、使用，對環境要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應用。隨著科學技術的發展，現在鋰電池已經成為了主流。以下是小編今天為大家精心準備的：淺談航空鋰電池的控制與保護相關論文。內容僅供參考，歡迎閱讀!

　　淺談航空鋰電池的控制與保護全文如下：

　　鋰電池是鋰離子電池的簡稱，具有電壓高、體積小、質量輕、比能量高、無記憶效應、無汙染、自放電小、使用壽命長等優點，在各個領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構出現塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負極碳結構裡去，以至於造成電池發熱冒煙甚至爆炸等故障。這也是鋰離子電池為什麼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，鋰電池仍有發生燃燒甚至爆炸的危險。近一段時間，波音787 客機屢發故障，全球50 架投入運營的波音787 已經全部停飛。在波士頓與高鬆機場波音787 故障事件中，電池均出現異常和損壞，鋰電池成為關注的焦點。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，緊急降落高鬆機場。

　　波音787 航空鋰電池連續出現故障，其安全性有待進一步提高，保護系統亦有待進一步完善。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 航空鋰電瓶的監控元件BMU

　　航空鋰電瓶有4 個電瓶監控元件BMU***Battery monitoringunit***，2 個溫度感測器，1 個霍爾電流感測器***HECS***，1 個控制接觸器組成。當電瓶出現異常時，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建接觸器跳開，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、電流和溫度訊號的檢測和判斷，來實現對電池組充放電過程中所出現的過充過放、過熱及均衡進行保護。電壓訊號包括鋰離子電池的總電壓和單節電池的單體電壓檢測;電流訊號由霍爾效應電流感測器檢測;溫度訊號由熱敏電阻1、2 測量。

　　航空鋰電池的監控元件***BMU*** 由主監控元件BMU1、BMU2 和輔助監控元件BMU3、BMU4 構成。BMU 監控電瓶的各種工作狀態，當出現故障時，向機載電瓶充電裝置***BCU***或地面充電裝置***GSE***傳送訊號，停止對電瓶充放電。如充電裝置出現故障，BMU 發出指令使輔助接觸器***J1***斷開電瓶與充電裝置的聯絡。

　　BMU1 有初始自檢和電池過充1 過放1、過熱、過冷和均衡監控單元，當探測到故障時將會向BCU 傳送禁止充放電訊號。

　　BMU2 有初始自檢和過充2 監控單元，當其檢測到故障時將會向BCU 發出禁止充電訊號。

　　BMU3 有初始自檢、接觸器初始自檢和過充監控單元，當

　　出現過充現象***單體電池電壓>4.55 V 或總電壓>36.5 V***時，BMU3 將會開啟其內建的接觸器，使電瓶充電停止。

　　BMU4 也具有初始自檢，電池深度過放***單節電池電壓<1.7 V***和充電電流過大***電池電流>80 A***監控保護單元，主要用於地面充放電裝置對電瓶進行維護和容量檢查。

　　2 鋰電池均衡控制

　　由於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，需要將其串聯起來構成鋰電池組。例如，波音787 的航空鋰電瓶共有8 個單節鋰電池串聯使用。由於同一型號的鋰離子電池其內部特性都存在差異，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。當出現過充和過放的現象，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電池故障。因此，鋰電池必需具有均衡電路。

　　目前鋰電池採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***MCU***控制的多路開關，R1、R2......Rn為放電平衡電阻。電池組充電時充電電流I 在各節電池中都相等;當某節***例如：B2*** 電池電壓高於其他電池超過某值時，MCU 控制的多路開關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，但電阻會消耗電能併發熱，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器件實現儲能元件在不均衡電池間的切換，達到電池間的能量轉移的目的。

　　均衡模組，由電感L1、能量轉移電容C1、二極體D1、D2、D3、D4 和功率MOSFET 組成。2 節電池間的能量轉移主要通過電容實現，電池組中的電壓差和受控MOSFET 決定了電池能量的轉移方向。若兩個單體電池電壓出現不均衡，均衡器開始工作，BMU 控制Q1 和Q2 交替開啟，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 關斷Q1 並導通Q2，此時C1 通過Q2 、D4 和L1 轉對B2 充電，一段時間後VB2=VC1。上述過程迴圈進行，直到VC1*=VB1*=VB2*，這樣就實現了從B1 到B2 的能量轉移，即實現了均衡。當VB2>VB1 時，平衡原理相同。電感L1 可防止Q1、Q2 導通瞬間產生衝擊的電流。

　　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，通過控制開關管的工作，轉移電池儲存在電感中的能量，最後實現電池組均衡。在串聯鋰離子電池組中，每個電池單體旁邊都接一個由儲能電感Lm、開關Sm及續流二極體Dm組成的均衡電路模組Mm。當模組Mm中的Sm開通時，電池Bm開始對電感Lm充電儲能，當Sm關斷時，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體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體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電池組端，副邊則分別與電池單元相連線，副邊的數量與所使用的電池單元數量相同。在這個均衡電路中，整個串聯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。若系統檢測到弱電池的存在，均衡電路開始動作，電路原邊的開關閉合，能量儲存到激磁電感中，當開關關斷後，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勢。缺點是變壓器內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引數設計有很高的要求。

　　通過以上幾種均衡電路的分析，對均衡電路總結。航空鋰電池的電流和功率都比較大，故可採用電感式均衡。

　　3 航空_鋰電池保護電路

　　根據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採用專用裝置，電池本身的監控元件輸出也必須與充電裝置相聯，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境溫度的差值在±5 ℃之內。熱敏電阻2 檢測航空鋰電池的工作溫度，其範圍-18~+70 ℃，若不在此溫度範圍內，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 構成雙重過充保護，單節電池電壓大於4.2 V，BMU1 發出充電禁止1 訊號;當單格電池電壓小於2.1 V 時，BMU1 發出放電禁止1 訊號，切斷電瓶向負載供電。

　　若單節電壓大於4.2 V，且禁止充電1 未工作，當單節電池電壓繼續上升並大於4.3 V 時，BMU2 將傳送充電禁止2 訊號，關閉充電裝置向電池充電。

　　如果應充電裝置失效而繼續充電或其他原因，當單節電池電壓上升到大於4.55 V 時或總電壓大於36.5 V 時，BMU3將發出訊號，經1 s 後，使內建接觸器開啟並鎖定，使電池與充電裝置隔離，防止充電裝置失效而繼續充電。

　　如果電池深度過放***單節電池電壓<1.7 V***，延時30 s，鎖存訊號，發出電池故障訊號;同時產生的低壓鎖存訊號供地面充放電裝置專用。

　　3.3 過流保護