電池管理電子設(shè)備如何增強電池的安全性

1、電池管理電子設(shè)備如何增加電池的平安性 對于鋰離子電池包制造商來說，針對電池供電系統(tǒng)構(gòu)建平安且牢靠的產(chǎn)品是至關(guān)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(yīng)具體的剩余運轉(zhuǎn)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，為了改進電池的平安性能，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(guān)閉兩個和鋰離子電池串聯(lián)的背靠背(back-to-back)疼惜mosfet，將電池單元斷開?；谧杩垢櫦夹g(shù)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

2、有可能檢測電池的微小短路(micro-short)，防止電池單元造成火災(zāi)乃至爆炸。 鋰離子電池平安 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(thermal run-away)及爆炸。對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(guān)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，其材料極大的增加了爆炸的危急性，由于鋰將有可能與多種材料起反應(yīng)而爆炸，包括了電解液及陰極材料。例如，鋰/碳插層混合物(intercalated compound)與水發(fā)生反應(yīng)，并釋放出氫氣，氫氣有可能被反應(yīng)放熱所引燃。陰極材料

3、，諸如licoo2，在溫度超過175的熱失控溫度限（4.3v單元電壓）時，也將開頭與電解液發(fā)生反應(yīng)。 鋰離子電池使用很薄的微孔膜(micro-porous film)材料，例如聚烯烴，進行電池正負極的電子隔離，由于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。隨著溫度的上升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淌，從而關(guān)斷電池。同時，熱敏陶瓷(pct)設(shè)備以及平支配出口(safety vent)為鋰離子電池供應(yīng)了額外的疼惜。電池的外殼，一般作為負極接線端，通常為典

4、型的鍍鎳金屬板。在殼體密封的狀況下，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淌，并最終使電池失效。絕大多數(shù)狀況下，此類失效等同于電池無法供電且功能完全終止。在少數(shù)狀況下，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主要根源，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)以及電池疼惜 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，雖然電池必需通過嚴格的ul平安測試，例如ul16?2，但供應(yīng)正確的充電狀態(tài)并很好的應(yīng)對多種有可能消逝的電子原件故障照舊是

5、系統(tǒng)設(shè)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。這就意味著需要實行多重的疼惜在同一電池包內(nèi)具有至少兩個獨立的疼惜電路或機制。同時，還期望具備用于檢測電池內(nèi)部微小短路的電子電路以避開電池故障。 圖1呈現(xiàn)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)、獨立的二級平安疼惜電路。圖1. 電池管理單元 電量計電路設(shè)計用于精確的指示可用的鋰離子電池電量。該電路獨特的算法允許實時的追蹤電池包的蓄電量變化、電池阻抗、電壓、電流、溫度以及其它電路信息。電量計自動的計算充電及放電的速率、自放電以及電池單元老化，在電

6、池使用壽命期限內(nèi)實現(xiàn)了高精度的電量計量。例如，一系列專利的阻抗追蹤電量計，包括bq20z70，bq20z80以及bq20z90，均可在電池壽命期限內(nèi)供應(yīng)高達1%精度的計量。單個熱敏電阻被用于監(jiān)測鋰離子電池的溫度，以實現(xiàn)電池單元的過喜疼惜，并用于充電及放電限定。例如，電池單元一般不允許在低于0或高于45的溫度范圍內(nèi)充電，且不允許在電池單元溫度高于65時放電。如檢測到過電壓、過電流或過熱狀態(tài)，電量計ic將指令把握afe關(guān)閉充電及放電mosfet q1及q2。當檢測到電池欠壓(under-voltage)狀態(tài)時，則將指令把握afe關(guān)閉放電mosfet q2，且同時保持充電mosfet開啟，以允許電池

7、充電。 上一頁1 2下一頁 afe的主要任務(wù)是對過載、短路的檢測，并疼惜充電及放電mosfet、電池單元以及其它線路上的元件，避開過電流狀態(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(shè)定。當檢測到過載或短路狀態(tài)，且達到了程序設(shè)定的延遲時間，則充電及放電mosfet q1及q2將被關(guān)閉，具體的狀態(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)查導致故障的緣由。 對于計量2、3或4個鋰離子電池包的電量計芯片集解決方案來說，afe起了很重要的作用。afe供應(yīng)了所需的全

8、部高壓接口以及硬件電流疼惜特性。所供應(yīng)的i2c兼容接口允許電量計訪問afe寄存器并配置afe的疼惜特性。afe還集成了電池單元平衡把握。多數(shù)狀況下，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(yīng)了條件?；谧杩棺粉欕娏坑媽γ恳浑姵貑卧瘜W電荷狀態(tài)的確定，可在需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疼惜限（如圖2所示）使得電池包疼惜更為強健。電量計具有兩層的充電/放電過電流疼惜設(shè)定，而afe則供應(yīng)了第三層

9、的放電過電流疼惜。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(guān)斷mosfet，以免產(chǎn)生毀壞。圖2. 多級電池過電流疼惜 當電量計ic及其所關(guān)聯(lián)的afe供應(yīng)過電壓疼惜時，電壓監(jiān)測的采樣特性限制了此類疼惜系統(tǒng)的響應(yīng)時間。絕大多數(shù)應(yīng)用要求能快速響應(yīng)，且實時、獨立的過電壓監(jiān)測器，并與電量計、afe協(xié)同運作。該監(jiān)測器獨立于電量計及afe，監(jiān)測每一電池單元的電壓，并針對每一達到硬件編碼過電壓限的電池單元供應(yīng)規(guī)律電平輸出。過電壓疼惜的響應(yīng)時間取決于外部延遲電容的大小。在典型的應(yīng)用中，秒量級疼惜器的輸出將觸發(fā)化學保險絲或其它失效疼惜設(shè)備，以永久性的將鋰離子電池與系統(tǒng)分

10、別。電池包永久性的失效疼惜 對于電池管理單元來說，很重要的一點是要為非正常狀態(tài)下的電池包供應(yīng)趨于保守的關(guān)斷。永久性的失效疼惜包括了過電流的放電及充電故障狀態(tài)下的平安、過熱的放電及充電狀態(tài)下的平安、過電壓的故障狀態(tài)（峰值電壓）以及電池平衡故障、短接放電fet故障、充電mosfet故障狀態(tài)下的平安。制造商可選擇任意組合上述的永久性失效疼惜。當檢測到任意的此類故障，則疼惜設(shè)備將熔斷化學保險絲，以使得電池包永久性的失效。作為電子元件故障的外部失效驗證，電池管理單元設(shè)計用于檢測充電及放電mosfet q1及q2的失效與否。假如任意充電或放電mosfet短路，則化學保險絲也將熔斷。 據(jù)報道，電池內(nèi)部的微小短路也是導致近期多起電池召回的主要緣由。如何檢測電池內(nèi)部的微小短路并防止電池著火乃至爆炸呢？外殼封閉處理過程中，金屬微粒及其它雜質(zhì)有可能污染電池內(nèi)部，從而引起電池內(nèi)部的微小短路。內(nèi)部的微小短路將極大地增加電池的自放電速率，使得開路電壓較之正常狀態(tài)下的電池單元有所降低。阻抗追蹤電量計監(jiān)測開路電壓，并從而檢測電池單元的非均衡性當不同電池單元的開路電壓差異超過預(yù)先設(shè)置的限定值。當消逝此類失效時，將產(chǎn)生永久性失效的告警并斷開mosfet，化學保險絲也可配置為熔斷。上述行為將使得電池包無法作為供電源并因此屏蔽了電池包