鉅大LARGE | 點擊量：603次 | 2022年03月30日
如何增強鋰離子電池的安全性
關于鋰離子電池包制造商來說，針對電池供電系統(tǒng)構建安全且可靠的產(chǎn)品是至關重要的。電池包中的電池管理電路可以監(jiān)控鋰離子電池的運行狀態(tài)，包括了電池阻抗、溫度、單元電壓、充電和放電電流以及充電狀態(tài)等，以為系統(tǒng)供應詳細的剩余運轉時間和電池健康狀況信息，確保系統(tǒng)作出正確的決策。此外，為了改進電池的安全性能，即使只有一種故障發(fā)生，例如過電流、短路、單元和電池包的電壓過高、溫度過高等，系統(tǒng)也會關閉兩個和鋰離子電池串聯(lián)的背靠背(back-to-back)保護MOSFET，將電池單元斷開。基于阻抗跟蹤技術的電池管理單元（BMU）會在整個電池使用周期內(nèi)監(jiān)控單元阻抗和電壓失衡，并有可能檢測電池的微小短路(micro-short)，防止電池單元造成火災乃至爆炸。
鋰離子電池安全
過高的工作溫度將加速電池的老化，并可能導致鋰離子電池包的熱失控(thermalrun-away)及爆炸。關于鋰離子電池高度活性化的含能材料來說，這一點是備受關注的。大電流的過度充電及短路都有可能造成電池溫度的快速上升。鋰離子電池過度充電期間，活躍得金屬鋰沉積在電池的正極，其材料極大的新增了爆炸的危險性，因為鋰將有可能與多種材料起反應而爆炸，包括了電解液及陰極材料。例如，鋰/碳插層混合物(intercalatedcompound)與水發(fā)生反應，并釋放出氫氣，氫氣有可能被反應放熱所引燃。陰極材料，諸如LiCoO2，在溫度超過175℃的熱失控溫度限（4.3V單元電壓）時，也將開始與電解液發(fā)生反應。
鋰離子電池使用很薄的微孔膜(micro-porousfilm)材料，例如聚烯烴，進行電池正負極的電子隔離，因為此類材料具有卓越的力學性能、化學穩(wěn)定性以及可接受的價格。聚烯烴的熔點范圍較低，為135℃至165℃，使得聚烯烴適用于作為熱保險(fuse)材料。隨著溫度的升高并達到聚合體的熔點，材料的多孔性將失效，其目的是使得鋰離子無法在電極之間流動，從而關斷電池。同時，熱敏陶瓷(pCT)設備以及安全排出口(safetyvent)為鋰離子電池供應了額外的保護。電池的外殼，一般作為負極接線端，通常為典型的鍍鎳金屬板。在殼體密封的情況下，金屬微粒將可能污染電池的內(nèi)部。隨著時間的推移，微粒有可能遷移至隔離器，并使得電池陽極與陰極之間的絕緣層老化。而陽極與陰極之間的微小短路將允許電子肆意的流動，并最終使電池失效。絕大多數(shù)情況下，此類失效等同于電池無法供電且功能完全終止。在少數(shù)情況下，電池有可能過熱、熔斷、著火乃至爆炸。這就是近期所報道的電池故障的重要根源，并使得眾多的廠商不得不將其產(chǎn)品召回。
電池管理單元(BMU)以及電池保護
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電池材料的不斷開發(fā)提升了熱失控的上限溫度。另一方面，雖然電池必須通過嚴格的UL安全測試，例如UL16?2，但供應正確的充電狀態(tài)并很好的應對多種有可能出現(xiàn)的電子原件故障仍然是系統(tǒng)設計人員的職責所在。過電壓、過電流、短路、過熱狀態(tài)以及外部分立元件的故障都有可能引起電池突變的失效。這就意味著要采取多重的保護――在同一電池包內(nèi)具有至少兩個獨立的保護電路或機制。同時，還希望具備用于檢測電池內(nèi)部微小短路的電子電路以防止電池故障。
圖1展示了電池包內(nèi)電池管理的單元方框圖，其組成包括了電量計集成電路(IC)、模擬前端電路(AFE)、獨立的二級安全保護電路。
AFE的重要任務是對過載、短路的檢測，并保護充電及放電MOSFET、電池單元以及其它線路上的元件，防止過電流狀態(tài)。過載檢測用于檢測電池放電流向上的過電流(OC)，同時，短路(SC)檢測用于檢測充電及放電流向上的過電流。AFE電路的過載和短路限定以及延遲時間均可通過電量計數(shù)據(jù)閃存編程設定。當檢測到過載或短路狀態(tài)，且達到了程序設定的延遲時間，則充電及放電MOSFETQ1及Q2將被關閉，詳細的狀態(tài)信息將存儲于AFE的狀態(tài)寄存器，從而電量計可讀取并調(diào)查導致故障的原因。
關于計量2、3或4個鋰離子電池包的電量計芯片集解決方法來說，AFE起了很重要的用途。AFE供應了所需的所有高壓接口以及硬件電流保護特性。所供應的I2C兼容接口允許電量計訪問AFE寄存器并配置AFE的保護特性。AFE還集成了電池單元平衡控制。多數(shù)情況下，在多單元電池包中，每個獨立電池單元的電荷狀態(tài)(SOC)彼此不同，從而導致了不平衡單元間的電壓差別。AFE針對每一的電池單元整合了旁通通路。此類旁通通路可用于降低至每一單元的充電電流，從而為電池單元充電期間的SOC平衡供應了條件。基于阻抗追蹤電量計對每一電池單元化學電荷狀態(tài)的確定，可在要單元平衡時做出正確的決策。
具有不同激活時間的多極過電流保護限（如圖2所示）使得電池包保護更為強健。電量計具有兩層的充電/放電過電流保護設定，而AFE則供應了第三層的放電過電流保護。在短路狀態(tài)下，MOSFET及電池可能在數(shù)秒內(nèi)毀壞，電量計芯片集完全依靠AFE來自動的關斷MOSFET，以免出現(xiàn)毀壞。
圖2.多級電池過電流保護
