基于便携式应急电源系统中应用的锂电池阵列设计思路

张洪春 周永光 熊理想 甘金鑫

深圳供电局有限公司 广东 深圳 518000

0 引言

在便携式应急电源中，蓄电池的容量是决定便携式应急电源在应用时是否能有效、可靠得到使用的有力保障之一，尤其在电力设备户外检修场合，便携式应急电源得到频繁使用，现有变电站的各专业的检修、技改、修理以及应急事故处理过程中，都需用到用便携式应急电源，但在如果检修工作时间，检修位置分散时，在没有市电的情况下，便携式应急电源的储能电池的增容就会发挥其重要作用。

1 便携式应急电源中锂电池组应用现状

随着社会的发展，自20世纪90年代中期以来，锂离子电池组在便携式设备中大量得到应用，应用领域涉及携式设备、太空科学试验等电源不足的场合，本文以电力工作的身份主要研究在电力检修、抢修、应急事故处理等过程中应用应急电源的环境。

对于锂电池包的应用来说，一般大部分的锂离子电池组都配置有智能电路板，提供电芯水平的电压监控和电池串级的电芯电厂平衡，同时也提供防止灾难性失效的保护功能，如使用电流限制器、多重开关、快速熔断器、温度保险丝以电压保护器等实现的。一般采用的先将多个电池并联，之后再进行串联，这有助于减少电流和电压的监控的复杂性。

2 锂电池的工作原理与性能特点

锂离子电池的电压一般在2.5～4.2 V间范围里，具备有很高的质量比能量和体积比能量，得到广泛应用，常见的应用比较广泛的电芯为18650型和26650型。

本文以18650电芯为对象研究其工作原理：

18650锂 离子电池是三元材料的锂离子电池，其负极以碳素为材料构成，正极为含锂元素的过渡金属氧化物，如Li Mn2 O4、Li Co O2等。18650锂离子电池添加锂盐为导电剂，加上有机溶剂构成电池内部的电解质。通常锂离子电池中不含有金属锂，因为18650锂离子电池在充电时，由于化学反应很容易使得金属锂沉积在电极表面，从内部腐蚀电池，会极大降低锂离子电池的循环使用性能，严重的可能造成安全性问题

18650锂 离子电池的阻抗是随着通过电流时间增长而增加，其锂电池阻抗分为三个部分形成，即欧姆部分、在短时间内的增加是由于电解质与电极材料界面上的电荷转转移形成的电极表面双层电容，而长时间的增加则是由锂离子在电解质中和在正负极材料中的扩散产生。其中欧姆阻抗与电流无关，电荷转移阻抗在高电流区随电流增加而下降，扩散阻抗是随电流增加而增大。另外阻抗对电流的依赖关系在不同温度条件下会有所不同。

18650锂 离子电池具备有强常温荷电保持能力，经实验验证，18650锂离子电池在以恒定标准电流充满后，常温放置下一个月左右，SOC不小于原来的90%，端电压的下降不能超过静置前的3%。

3 锂电池电池阵列的构成

对于较小的电池系统，电芯一般是并联在一起使用，但在实际应用中锂离子电池阵列通常以串并结合的方式进行连接，并联的电池阵列可以获得较大的功率，串联的电池阵列可以提升输出电压以满足用电仪器和设备的要求。

1)电池模块容量设计。在先串后并连接的电池阵列中，先串可以输出更高的端电压，后并联可以输出更大的负载电流。

先串后并连接方式的优点在于：可以很好地解决锂离子电池单体之间的不一致性问题，使电池阵列的能量得到更有效的利用和循环充放电次数也会明显增加，但要对每一串锂离子电池作均衡处理，均衡成本较高。

在电池阵列中，先并后串的方式可让电池阵列具有更大的放电容量，更高的输出端电压。

先并后串连接方式的优点在于：电池阵列工作时可靠性高，成本较低，缺点是电池单体容易出现过充过放的问题。

本文研究采用的以18650电芯的锂蓄电池作为便携式应急电源中能量提供单元，设计为可外部并联扩充的模块设计结构，每个18650锂电池包由112个3.2V/2.5AH的单体电芯依次串并联而成，单模块设计成7串16并阵列，组成的24 V电池串40 AH容量电池模块，其连接方式如下图所示：

图1

2)电池均衡设计。由于锂离子电池单体之间的充放电特性参数差异，锂电池阵列中单体间存在一致性问题，个别电池单体的性能表现下降，内阻也会出现显著提高的现象，以至于整个锂电池组性能出现急剧恶化，会影响到整个电池阵列的使用性能，甚至出现安全性问题。

所以对电池的均衡就是为了实现电池阵列的充放电过程中各单体的性能尽可能一致，以获得最优充放电性能表现，均衡设计分为能量耗散型和能量转移型两种模式：

能耗型均衡是早期的均衡方式，是以通过平衡锂离子电池阵列中电压不同的单体之间的电压来实现，这种模式的均衡在均衡时被放电的锂离子电池温度会升高，伴随着锂电池阵列不断地重复性使用，容量小的单体充放电性能会明显变差，易出现故障。

随着技术进步，目前均衡模式上国内外在能量转移型均衡研究较多，能量转移型电路具有均衡节能和能量利用率高等优点，其能量转移型均衡模式也分为以下几种：集中式多级绕组变压器；独立的DC－DC转换器；相邻电池均衡

a)均衡控制设计思路。能量转移型电路具有均衡节能和能量利用率高等优点，其主要特点是在电池阵列循环使用过程中，可以实时对各单体之间实现SOC均衡，能量转移型电路较为复杂，主要设计思路如下图：

图2

为实现均衡控制，采用了专用控制管理芯片(如LTC6803)，实现电池阵列的电池单体进行电压测试，通过电平移位的通信接口，可以把专用控制管理芯片级联起来共同工作(不需要电气隔离器件)，这样就可以在更高的电压值范围内完成相关测试。

通常在电池的电压采集端都会串联一个MOSFET开关管用于控制电池阵列单体的均衡控制，即在电池电压过高就时时开关管导通放电，过低时关闭继续充电，以实现过压保护及均衡的功能。

为防止18650锂电池在接入电路的瞬间对系统造成损害，锂离子电池需要通过电阻、稳压管组成的电路与均衡控制单元连接，通过内部高度精度AD对锂离子电池单体电压实现检测，从而达到对锂离子电池单体电压监控的目的。

3)充电电压和电流采集原理

如上图3所示，本文设计中采用分压的方式获得18650锂离子电池阵列的充电电压，采集到的电压值为：

当18650锂离子电池充电阵列充电时，首先控制设置AD作为分压模式获取合适的分压值，作为精准的参考电压基准值。

4)电池的测量控制功能单元与系统管理。锂电池电池阵列的监控、测试、计算、通信及对电池组中电芯的控制管理的作用是增强电池阵列中的电芯的安全性并维持其性能。

对电池的监控用于电池的电压和电流进行检测监视，并可用于指示警示条件，以让管理系统及时对电池进行有效的操作。

对电池的测量功能是耦合控制机理，能在大小、时间以及其它信息提供精准的数据，这对于系统管理是非常有用的。

对锂电池电池阵列系统管理是为锂电池提供先进特征，为电池组的实时状态进行可信信息管理，比如SOC、以及对电池电池健康状况、寿命状况进行提前预测。

4 锂电池阵列的模块化设计结构

锂电池阵列设计为模块化结构，以方便增容拔插操作外形结构和接口类型如下：

图4

5 结论

本文本文以18650锂离子电池阵列为研究对象，为18650锂离子电池阵列在电池阵列组成、均衡、及管理的应用设计思路和均衡性问题进行了分析和研究，对18650锂离子电池阵列在便携式应急电源中应用提供了有很好的参考价值的理论依据。