淺談航空鋰電池的控制與保護(hù)論文
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提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非?;顫姡沟娩嚱饘俚募庸?、保存、使用,對(duì)環(huán)境要求非常高。所以,鋰電池長(zhǎng)期沒有得到應(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、無記憶效應(yīng)、無污染、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、過充放電路和過溫保護(hù)線路,防止電池被過充過放電。過度充電放電和超溫,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,過度放電將導(dǎo)致負(fù)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(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、過充和過溫保護(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),如電瓶過充、過壓、充電電流過大、低壓、過熱、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,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,來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組充放電過程中所出現(xiàn)的過充過放、過熱及均衡進(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)斷開電瓶與充電設(shè)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(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充監(jiān)控單元,當(dāng)
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(shí),BMU3 將會(huì)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(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路電壓只有4.03 V 左右,單獨(dú)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(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)行充放電的過程中,流過每一個(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充;同理,在放電過程中,容量小的放電快,容易造成過放。當(dāng)出現(xiàn)過充和過放的現(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某值時(shí),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(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,通過繼電器或者開關(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(dǎo)通,此時(shí)B1 通過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Q2 、D4 和L1 轉(zhuǎn)對(duì)B2 充電,一段時(shí)間后VB2=VC1。上述過程循環(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,通過控制開關(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開通時(shí),電池Bm開始對(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,均衡電路開始動(dòng)作,電路原邊的開關(guān)閉合,能量存儲(chǔ)到激磁電感中,當(dāng)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(yīng)電流越大。每一節(jié)單體獲得的均衡電流與其SOC 成反比。
均衡過程中電路直接通過變壓器實(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題,且對(duì)副邊繞組的一致性要求較高;變壓器飽和的問題對(duì)電路參數(shù)設(shè)計(jì)有很高的要求。
通過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,其自身帶有過充過放保護(hù)電路和過溫保護(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、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 過充過放保護(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 過流保護(hù)
當(dāng)充電電流過大(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
本文介紹了鋰電池的均衡、過充和過溫的保護(hù)方法,航空鋰電池在維護(hù)使用過程中必須嚴(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。