電池管理電子設(shè)備如何增強(qiáng)電池的安全性
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
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(dǎo)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(diǎn)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險性，因為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，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(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(jìn)行電池正負(fù)極的電子隔離，因為此類材料具有卓越的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性以及可接受的價格。聚烯烴的熔點(diǎn)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(dá)到聚合體的熔點(diǎn)，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(guān)斷電池。同時，熱敏陶瓷(PCT)設(shè)備以及安全排出口(safety vent)為鋰離子電池提供了額外的保護(hù)。電池的外殼，一般作為負(fù)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?zé)o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)以及電池保護(hù)
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(yán)格的UL安全測試，例如UL16?2，但提供正確的充電狀態(tài)并很好的應(yīng)對多種有可能出現(xiàn)的電子原件故障仍然是系統(tǒng)設(shè)計人員的職責(zé)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。這就意味著需要采取多重的保護(hù)DD在同一電池包內(nèi)具有至少兩個獨(dú)立的保護(hù)電路或機(jī)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避免電池故障。
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(dú)立的二級安全保護(hù)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(dú)特的算法允許實(shí)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，在電池使用壽命期限內(nèi)實(shí)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)提供高達(dá)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(shí)現(xiàn)電池單元的過熱保護(hù)，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將指令控制AFE關(guān)閉充電及放電MOSFET Q1及Q2。當(dāng)檢測到電池欠壓(under-voltage)狀態(tài)時，則將指令控制AFE關(guān)閉放電MOSFET Q2，且同時保持充電MOSFET開啟，以允許電池充電。
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