电动自行车锂离子电池控制与保护

王栋　肖磊　耿娜　吴宗江　高党寻

摘要：锂离子电池以其比容大、寿命长、环保性高的优势，越来越多地被用于电动自行车中，但是锂离子化学性质活泼，过充电、过放电、温度过高等都会引起安全事故，因此需要保护电路，防止事故的发生。此文对电动自行车锂离子电池的工作原理，以及存在的问题和保护措施进行简要剖析，并对未来的发展进行了展望。

关键词：电动自行车;锂离子电池;控制;保护

1    前言

自“十四五”以来，以习近平总书记为核心的党中央指出，在能源消费方面要改变一煤独大的局面，走上绿色节能的新道路。中国是能源消耗大国，各行各业都面临着能源改革，在人们的出行方面，自行车是最为绿色低碳的交通工具之一。随着科技的发展，以及老龄化轻松代步和年轻人运动健身等个性化需求，电动自行车在我国获得了长足发展，中国电动自行车的产能不断扩大，受众也在不断增多。尤其在2020年，受疫情等多方面因素影响，电动自行车总销量突破4 000万台，估计2021年的销量数据会有更大的突破。

在电动自行车销量不断增加的同时，其关键部件——电池的安全性也越来越受到人们的关注。目前，电动自行车电池多采用铅酸蓄电池，除此之外，镍氢电池、锂离子电池等也被广泛应用。在上述电池中，铅酸蓄电池以价格低廉的优势最为常用，其所含污染成分较少，可回收性强，但较小的比容量限制了它的使用范围;相较铅酸蓄电池，镍氢电池的比容量要大很多，单体电池的寿命较长，但是一旦发生过充电，就会导致电池整组快速失效，因此其发展制约性较大;而锂离子电池的比容量在三者之中最大，相同的容量，其质量（重量）最小，便携性较为优越，且寿命要优于镍氢电池，环保性较高。目前，手机几乎都是采用单体锂离子电池，因动力原因，电动自行车需要采用串联锂离子电池组，但是锂离子电池在充放电过程中会因使用不当，而发生爆炸，目前针对其的保护电路成本较高。

综上所述，在比容量、寿命及体积方面，锂离子电池有着上述其他两种电池无法取代的优势，但是需要额外设计保护电路。锂离子电池的质量（重量）较之铅酸蓄电池等轻便，可以有效减轻电动自行车负载，从而可以控制整个自行车的质量（重量）。因此，锂离子电池是成为新一代电动自行车电池的最佳选择[1]，其在电动自行车上的应用潜力较大，但是要充分考虑成本问题。

2    电动自行车锂离子电池简介

锂离子电池是一种二次电池，通过锂离子在正负极之间的移动来实现充放电。在这一过程中，锂离子在两个电极之间往返运动，不断地进行嵌入和脱嵌工作：在充电时，锂离子从正级脱嵌，经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂状态;在放电时，锂离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。其充放电过程中的化学反应式可以表示如下[2]：

锂离子电池的工作过程如图1所示：

锂离子电池负责为电动自行车提供电能，其将电能输送给控制器，控制器将其处理成符合电机工作的电压后，输送给电机，来带动电机转动，从而推动电动自行车移动。控制器不仅连接着电机，还负责执行转把中的调速命令，即：电动自行车的转把中的调速装置给出的转速，接收到不同的电压值，进一步根据该值来调节电机电压的大小，从而达到转把设定速度的要求。此外，电机的转速也需要实时反馈给控制器，从而达到监控电机转速的目的。具体的控制框图如图2所示。

在实际應用中，为了达到设定的电压值，如48 V、36 V或者24 V等，锂离子电池多采用串联成组的形式，如图3所示。锂离子电池组还需要管理系统以保证电池正常稳定的工作以及数据采集，为此，整个管理系统还需要微处理器模块、数据采集模块、电池保护模块、通信模块以及电池均衡模块等。具体的电路图可以参见贾小龙的《48V锂电池管理系统的设计与实现》[3]。

3    锂离子电池的保护电路、锂离子电池存在的问题与解决方法

3.1    锂离子电池的保护电路

锂离子电池的电解液、电池的制造工艺，以及外部电路的不规范等都会导致锂离子电池的安全事故。锂离子电池的安全事故主要是引起短路、断路，以及起火爆炸等[4]。因此，安全起见，锂离子电池在使用中不能过充电、过放电、过电流，否则会减少锂离子电池的寿命，严重时会导致电池爆炸[5]。为了避免上述情况的发生，我们有必要对锂离子电池设计保护电路。

通常，锂离子电池的保护电路框架如图4所示。在图4中，VDD为电源端（+）、GND为接地端（-），VM和VN分别为充电和放电控制端，VM控制MOSFET管M1的通断以对电池进行过充电保护，VN控制MOSFET管M2的通断以对电池进行过放电保护，D1和D2分别为M1和M2的寄生二极管，主要是利用二极管单向导通的特性，在充放电回路的MOSFET管关闭时，保证一个充放电回路。CS端在电路发生异常情况下，负责对电压进行监测，TS端用于电池和芯片温度的监测。VCC（+）和VSS（-）为锂离子电池的正极和负极，用来接充电器（充电时）或负载（放电时）。

目前，锂离子电池的保护电路多采用集成电路的形式，如基于PWM芯片[6]，此外还有基于单片机[7]、CPLD[8]等控制形式，这都给锂离子电池的保护提供了安全有力的技术支持与保障。

3.2    锂离子电池存在的问题与解决方法

在图4所示框图中，锂离子电池保护电路含有两个MOSFET管 （以下简称“MOS管”）。MOS管具有驱动简单、噪声低、输入阻抗高、导通阻抗低、导通损耗小等明显优势，但是在条件较为恶劣的环境中，比如温度过高、电压较大、电流较大等情况下，加上一定概率的短路，MOS管容易出现失效的现象。MOS管失效对锂离子电池的工作可靠性以及工作寿命都会有较大影响。因此，在电池出厂前，相关人员需要对电池的封装进行扫描、测试，以防止内部MOS管失效。

此外，锂离子电池因其自身特点，在充电和放电等过程中，要对其进行有效的控制，尤其在超高温情况下，有必要对上述保护电路设置二次保护电路，从而在一定程度上减少由电池引起爆炸等安全事故。沈海波通过设计过充二次保护芯片，并结合贴片式自动熔断器的形式，实现对小功率锂离子电池二次保护功能[9]。日本LAPIS公司于2016年开发出锂离子电池组用二次保护集成电路，该保护电路可以在一次保护因故障无法工作时，提供二次保护，从而有效提高电池的可靠性[10]。此外，我们还可以通过添加保险丝，比如Fuse普通保险丝、PTC温度保险丝，以及SCP三端保险丝等，来完成上述电路的二次保护。

4    关于锂离子电池的几点建议

上述内容从技术层面分析了锂离子电池的工作原理和控制保护，以及存在的问题和解决方法。未来，锂离子电池的发展必然朝着低成本、轻量型、智能化的方向发展，未来新兴材料的发现，也对锂离子电池的发展有着重要的影响。此外，锂离子电池的保护电路也会朝着集成化和智能化方向发展。因此，在确保安全的情况下，锂离子电池必然会成为未来电动自行车用电池的主力。

关于电动自行车锂离子电池的生产和使用，本文作者有如下建议：

1. 在电动自行车锂离子电池设计方面，要综合考虑所有可能出现的安全问题，通过设计监测模块，主动及时监测以及预见各种可能出现的状态，提升电池的安全性和可靠性。

2. 在锂离子电池出厂前，加强实验测试和品控管理，确保电池的稳定性。

3. 用户要从正规渠道购买锂离子电池，并且在使用前了解并熟知安全操作规程，确保使用过程中万无一失。

参考文献

[1]贺元骅，余兴科，樊榕，智茂永.动力锂离子电池热管理技术研究进展[J/OL].电池：1-6[2022-04-18].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/43.1129.TM.20210820.0921.002.html.

[2] 楊绍斌，胡浩权. 锂离子电池[J]. 辽宁工程技术大学学报，2000，19（6）：659—663.

[3] 贾小龙.48V锂电池管理系统的设计与实现[D].苏州：苏州大学，2014.

[4] 吕媛媛，秦剑峰，宋杨，王彩娟.国内外锂离子电池单体安全性能标准概述[J].电池，2021，51（06）：629—633.

[5] 许英杰，孙郅佶，李帆，范贤光.电动自行车锂电池组保护电路设计[J].现代电子技术，2012，35（16）：191—194.

[6] 汪俊，王毅.基于专用PWM芯片的锂电池充电电路设计[J].电子制作，2021（10）：8—10+65.

[7] 王宇野，庄锦涛.基于单片机的磷酸铁锂电池组充放电电路设计[J].闽南师范大学学报（自然科学版），2021，34（01）：95—100.

[8] 李燕.一种基于CPLD的锂离子电池充放电保护电路设计[J].科技视界，2019，274（16）：170—172.

[9] 沈海波.一种有效的锂电池过充二次保护设计的应用[J].仪表技术，2021（03）：10—12+32.

[10]日经，日本LAPIS公司推出支持14个单元串联的锂电池二次保护IC[J].军民两用技术与产品，2016（07）：33—33.