浅谈航空锂电池的控制与保护

锂电池是锂离子电池的简称，具有电压高、体积小、质量轻、比能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、使用寿命长等优点，在各个领域的应用也越来越广泛，近两年在民航飞机B787 上得到了应用。

为了提高锂电池安全性，锂电池本身均需有均衡电路、过充放电路和过温保护线路，防止电池被过充过放电。过度充电放电和超温，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，从分子层面看，可以直观地理解，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，以至于造成电池发热冒烟甚至爆炸等故障。这也是锂离子电池为什么通常配有充放电控制电路的原因。

如果电池本身的控制和保护电路出问题，锂电池仍有发生燃烧甚至爆炸的危险。近一段时间，波音787 客机屡发故障，全球50 架投入运营的波音787 已经全部停飞。在波士顿与高松机场波音787 故障事件中，电池均出现异常和损坏，锂电池成为关注的焦点。日本航空公司一架波音787 在美国波士顿因电池起火致客舱冒烟;日本全日空航空公司一架波音787 在飞行过程中疑因为ช电池故障而冒起烟雾，紧急降落高松机场。

波音787 航空锂电池连续出现故障，其安全性有待进一步提高，保护系统亦有待进一步完善。分析其原因可能是单体锂电池均衡电路、过充和过温保护电路失效。

1 航空锂电瓶的监控组件BMU

航空锂电瓶有4 个电瓶监控组件BMU，2 个温度传感器，1 个霍尔电流传感器，1 个控制接触器组成。当电瓶出现异常时，如电瓶过充、过压、充电电流过大、低压、过热、单格电压不平衡时，或禁止充电或放电或使内置接触器跳开，保护不损坏电瓶。BMU 还具有自检等功能，如图1 所示。BMU 通过对锂离子电池组的电压、电流和温度信号的检测和判断，来实现对电池组充放电过程中所出现的过充过放、过热及均衡进行保护。电压信号包括锂离子电池的总电压和单节电池的单体电压检测;电流信号由霍尔效应电流传感器检测;温度信号由热敏电阻1、2 测量。

航空锂电池的监控组件 由主监控组件BMU1、BMU2 和辅助监控组件BMU3、BMU4 构成。BMU 监控电瓶的各种工作状态，当出现故障时，向机载电瓶充电装置或地面充电设备发送信号，停止对电瓶充放电。如充电设备出现故障，BMU 发出指令使辅助接触器断开电瓶与充电设备的联系。

BMU1 有初始自检和电池过充1 过放1、过热、过冷和ツ均衡监控单元，当探测到故障时将会向BCU 发送禁止充放电信号。

BMU2 有初始自检和过充2 监控单元，当其检测到故障时将会向BCU 发出禁止充电信号。

BMU3 有初始自检、接触器初始自检和过充监控单元，当

出现过充现象时，BMU3 将会打开其内置的接触器，使电瓶充电停止。

BMU4 也具有初始自检，电池深度过放和充电电流过大监控保护单元，主要用于地面充放电设备对电瓶进行维护和容量检查。

2 锂电池均衡控制

由于单体锂离子电池的开路电压只有4.03 V 左右，单独使用无法满足航空电源的供电要求，需要将其串联起来构成锂电池组。例如，波音787 的航空锂电瓶共有8 个单节锂电池串联使用。由于同一型号的锂离子电池其内部特性都存在差异，会导致锂电池组中单体电池的容量差异。在对锂电池组进行充放电的过程中，流过每一个单体电池的电流是相同的。这样，在充电时，容量小的电池会被先充满，这样势必会造成容量小的电池过充;同理，在放电过程中，容量小的放电快，容易造成过放。当出现过充和过放的现象，不仅会影响该单体电池的使用寿命，同时会影响到锂电池组的整体放电能力和出现电池故障。因此，锂电池必需具有均衡电路。

目前锂电池采用的均衡方法主要有：电阻均衡、电容均衡和电感式均衡。

2.1 电阻均衡

电阻均衡原理图。

B1、B2.....Bn 为组成锂离子电池组的各单元电池，K1,K2......Kn 为管理控制系统控制的多路开关，R1、R2......Rn为放电平衡电阻。电池组充电时充电电流I 在各节电池中都相等;当某节 电池电压高于其他电池超过某值时，MCU 控制的多路开关K2 ร合上ข，B2 通过R2 分流，使B2 电压下降，保证锂离子电池组各单元电池能平衡充电。此方案简单、可靠，但电阻会消耗电能并发热，尤其放电时，平衡电路会白白消耗了锂离子电池组的电能。

2.2 电容均衡

电容均衡是利用电池对电容等储能元件的充放电，通过继电器或者开关器件实现储能元件在不均衡电池间的切换，达到电池间的能量转移的目的。

均衡模块，由电感L1、能量转移电容C1、二极管D1、D2、D3、D4 和功率MOSFET 组成。2 节电池间的能量转移主要通过电容实现，电池组中的电压差和受控MOSFET 决定了电池能量的转移方向。若两个单体电池电压出现不均衡，均衡器开始工作，BMU 控制Q1 和Q2 交替打开，下面分析其工作原理。

如图3，若VB1VB2，则Q1 导通，此时B1 通过Q1、L1 和D3 对C1 充电;BMU 关断Q1 并导通Q2，此时C1 通过Q2 、D4 和L1 转对B2 充电，一段时间后VB2=VC1。上述过程循环进行，直到VC1*=VB1*=VB2*，这样就实现了从B1 到B2 的能量转移，即实现了均衡。当VB2VB1 时，平衡原理相同。电感L1 可防止Q1、Q2 导通瞬间产生冲击的电流。

2.3 电感式均衡

2.3.1 电感均衡

电感均衡同电容均衡一样，电感作为储能元件，通过控制开关管的工作，转移电池储存在电感中的能量，最后实现电池组均衡。在串联锂离子电池组中，每个电池单体旁边都接一个由储能电感Lm、开关Sm及续流二极管Dm组成的均衡电路模块Mm。当模块Mm中的Sm开通时，电池Bm开始对电感Lm充电储能，当Sm关断时，Lm中的能量通过Dm平均释放到电池组中的其他电池单体中。上游单体电池的旁路储能电感的能量通过二极管释放到单体电池的下游电池，下游单体电池的旁路储能电感的能量则通过二极管释放到该单体电池的上游电池中。

2.3.2 变压器均衡

该均衡电路只有一根磁芯，变压器原边接在串联电池组端，副边则分别与电池单元相连接，副边的数量与所使用的电池单元数量相同。在这个均衡电路中，整个串联电池组的能量可以传到能量最弱的电池当中，从而保持电池之间的均衡度。若系统检测到弱电池的存在，均衡电路开始动作，电路原边的开关闭合，能量存储到激磁电感中，当开关关断后，这些能量传入电压较低的电池单元中。单体电池的电压越低，它的电抗就越小，因而感应电流越大。每一节单体获得的均衡电流与其SOC 成反比。

均衡过程中电路直接通过变压器实现电池组中高能量单体向低能量单体放电，在均衡的速度和效率方面有一定的优势。缺点是变压器内部存在漏磁和互感的问题，且对副边绕组的一致性要求较高;变压器饱和的问题对电路参数设计有很高的要求。

通过以上几种均衡电路的分析，对均衡电路总结。航空锂电池的电流和功率都比较大，故可采用电感式均衡。

3 航空_锂电池保护电路

根据泰雷兹航空部件维修手册24-32-70，航空锂电池对安全性具有更高的要求，其自身带有过充过放保护电路和过温保护电路。锂电池在飞机上或在地面充电必须采用专用设备，电池本身的监控组件输出也必须与充电设备相联，以保证电池的安全。

3.1 过、低温保护

热敏电阻1 探测锂电池的温度，此检测的温度必须与外界环境温度的差值在5 ℃之内。热敏电阻2 检测航空锂电池的工作温度，其范围-18~+70 ℃，若不在此温度范围内，将对电池进行温度保护。

3.2 过充过放保护

BMU1 的充电禁止1 与BMU2 的充电禁止2 构成双重过充保护，单节电池电压大于4.2 V，BMU1ย 发出充电禁止1 信号;当单格电池电压小于2.1 V 时，BMU1 发出放电禁止1 信号，切断电瓶向负载供电。

若单节电压大于4.2 V，且禁止充电1 未工作，当单节电池电压继续上升并大于4.3 V 时，BMU2 将发送充电禁止2 信号，关闭充电设备向电池充电。

如果应充电设备失效而继续充电或其他原因，当单节电池电压上升到大于4.55 V 时或总电压大于36.5 V 时，BMU3将发出信号，经1 s 后，使内置接触器打开并锁定，使电池与充电设备隔离，防止充电设备失效而继续充电。

如果电池深度过放，延时30 s，锁存信号，发出电池故障信号;同时产生的低压锁存信号供地面充放电设备专用。

3.3 过流保护

当充电电流过大，延时5 s，锁存信号，并发出电池故障信号;产生自测试结果信号供地面充放电设备专用。

4 结束语

本文介绍了锂电池的均衡、过充和过温的保护方法，航空锂电池在维护使用过程中必须严格按照相关规定进行。从波音787 客机的锂电池屡发故障可以看出，必须有效提高充电设备和保护电路的可靠性。可以相信，随着锂离子电池技术的不断发展和完善，锂电池由于其优越的性能，必将在航空领域获得更广泛的应用。