整合式CFE防護(hù)提高充電系統(tǒng)層級安全性

本文將探討鋰電池安全性、充電電池設(shè)計(jì)、安全監(jiān)控，以及充電系統(tǒng)安全性等主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)考量。

　　電池充電器IC角色關(guān)鍵

　　圖1顯示一般的電池充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)輸入可以是交流電(AC)墻式轉(zhuǎn)接器供應(yīng)的直流電(DC)電源，或通用序列匯流排(USB)介面供應(yīng)的DC電源。一般的電池充電系統(tǒng)包括充電前端(CFE)、電池充電器及電池組。CFE防護(hù)積體電路(IC)整合輸入過壓、過流及電池過壓等防護(hù)機(jī)制，能夠提高電池供電系統(tǒng)的安全性。電池充電器IC可調(diào)節(jié)電池充電電壓及電流，并監(jiān)控電池溫度，以延長電池使用壽命，并提高安全性。了解鋰電池特性，對于設(shè)計(jì)更安全的充電系統(tǒng)而言相當(dāng)重要。

　　圖1 一般的電池充電系統(tǒng)

　　鋰電池安全性不可忽視

　　由于鋰電池采用活性極高的材料，因此必須注意運(yùn)作溫度過高會(huì)加速電池衰減，導(dǎo)致熱失控，甚至使鋰電池爆裂的問題。如果電池在高電流下過度充電或發(fā)生短路，就會(huì)出現(xiàn)快速升溫的現(xiàn)象。

　　鋰電池過度充電時(shí)，活性金屬鋰就會(huì)沉積在正極上，這種材料會(huì)大幅提高火災(zāi)發(fā)生機(jī)率，因?yàn)橹灰佑|電解液和負(fù)極材料就會(huì)爆裂。例如，鋰/碳嵌入化合物遇水會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而反應(yīng)產(chǎn)生的高溫可點(diǎn)燃釋放的氫氣。

　　對于4.3伏特(V)電池電壓而言，氧化鋰鈷(LiCoO2)等負(fù)極材料在溫度超過熱失控臨界值175℃時(shí)，就會(huì)與電解液發(fā)生反應(yīng)(圖2)。鋰電池采用聚烯烴(Polyolefin)等多微孔薄膜(Micro-porous Film)將正負(fù)電極加以電隔離。這些電極可達(dá)到絕佳的機(jī)械屬性與化學(xué)穩(wěn)定性，且價(jià)格合理。聚烯烴的熔點(diǎn)較低，介于135～165℃之間，可作為溫度保險(xiǎn)絲。隨著溫度接近聚合物的熔點(diǎn)，便不再具有滲透性(Porosity)，在鋰離子不再于電極之間流動(dòng)時(shí)關(guān)閉電池。

　　圖2 電池?zé)崾Э?/P>

　　此外，正向溫度系數(shù)(PTC)裝置和安全出口(Vent)能提供額外防護(hù)，一般而言，負(fù)極終端外殼通常采用鍍鎳鋼鐵。外殼封閉后，金屬粒子會(huì)污染電池內(nèi)部。這些粒子會(huì)隨著時(shí)間進(jìn)入分離器，導(dǎo)致電池正負(fù)極兩側(cè)之間的絕緣層衰減，這會(huì)造成正負(fù)極之間的微小短路，使電子自由流動(dòng)，最終導(dǎo)致電池故障。這種故障通常只會(huì)導(dǎo)致電池電量耗盡，無法正常運(yùn)作。在極罕見情況下，電池會(huì)出現(xiàn)過熱、融化、起火甚至爆裂等現(xiàn)象。

　　安全電池充電器設(shè)計(jì)三部曲

　　圖3顯示常用的鋰電池充電配置，鋰電池充電包括三個(gè)階段，首先是預(yù)先充電，接著是快速充電穩(wěn)定電流(CC)，最后是穩(wěn)定電壓(CV)。在預(yù)先充電中，電池以低速率充電。電池電壓低于3.0伏特時(shí)，充電速率通常是快速充電速率的十分之一。鈍化層在深度放電狀態(tài)下，長期沉積后可能溶解，便可逐漸恢復(fù)。此外，過度放電的陽極短路電池上出現(xiàn)部分銅分解時(shí)，預(yù)先充電可防止在1℃充電速率(可在1個(gè)小時(shí)內(nèi)使電池完全放電的電流)下出現(xiàn)過熱狀況。

　　圖3 鋰電池充電配置

　　預(yù)先充電安全計(jì)時(shí)器，可避免電量耗盡的電池長時(shí)間充電。一般而言，電池電壓達(dá)到3.0伏特，充電器就會(huì)進(jìn)入CC階段。快速充電電流通常限定在0.5～1℃之間，以避免過熱導(dǎo)致電池加速衰減。速率必須慎選，確保電池溫度不超過45℃，以快速充電速率進(jìn)行電池充電，直至電壓達(dá)到調(diào)節(jié)限度(對于LiCoO2的陰極通常是每顆電池4.2伏特)為止。充電器開始調(diào)節(jié)電池電壓并進(jìn)入CV階段，此時(shí)充電電流會(huì)等比下降至預(yù)先定義的終止程度，結(jié)束電池充電。

　　對于電池使用壽命及安全性而言，電池充電電壓的準(zhǔn)確性相當(dāng)重要。更高的電池充電電壓可提高充電容量，但是會(huì)縮短電池使用壽命，如圖4所示。對于±2.5%容差的電池充電電壓而言，充電電壓可能會(huì)達(dá)到4.3伏特，這會(huì)導(dǎo)致熱失控及安全性問題。為避免電池高溫充電，并提高安全性，充電器IC必須監(jiān)控電池組的溫度。只有在電池溫度維持在安全范圍內(nèi)(0～45℃)時(shí)，電池才能充電，電池組通常會(huì)利用電熱調(diào)節(jié)器讓溫度達(dá)到安全范圍。此外，通常須要快速充電安全計(jì)時(shí)器，避免電量耗盡的電池長時(shí)間充電。一旦經(jīng)過安全時(shí)間，即便電池未達(dá)到充電終止電流狀態(tài)，電池充電器也必須結(jié)束充電。