发布于 2014年12月09日
对付锂离子电池包制造商来说，针对电池供电体系构建宁静且可靠的产物是至关重要的。电池包中的电池办理电路可以监控锂离子电池的运行状态，包罗了电池阻抗、温度、单位电压、充电和放电电流以及充电状态等，以为体系提供细致的剩余运转时间和电池康健状态信息，确保体系作出准确的决议计划。别的，为了改进电池的宁静性能，纵然只有一种妨碍产生，比方过电流、短路、单位和电池包的电压过高、温度过高等，体系也会封闭两个和锂离子电池串联的背靠背（back-to-back）掩护MOSFET，将电池单位断开。基于阻抗跟踪技能的电池办理单位（BMU）会在整个电池利用周期内监控单位阻抗和电压失衡，并有大概检测电池的微小短路（micro-short），防备电池单位造成火警以致爆炸。
锂离子电池宁静
过高的事情温度将加快电池的老化，并大概导致锂离子电池包的热失控（thermal run-away）及爆炸。对付锂离子电池高度活性化的含能质料来说，这一点是备受存眷的。大电流的过分充电及短路都有大概造成电池温度的快速上升。锂离子电池过分充电时期，活泼得金属锂沉积在电池的正极，其质料极大的增长了爆炸的伤害性，由于锂将有大概与多种质料起反响而爆炸，包罗了电解液及阴极质料。比方，锂/碳插层混淆物（intercalated compound）与水产生反响，并开释出氢气，氢气有大概被反响放热所引燃。阴极质料，诸如LiCoO2，在温度凌驾175℃的热失控温度限（4.3V单位电压）时，也将开始与电解液产生反响。
锂离子电池利用很薄的微孔膜（micro-porous film）质料，比方聚烯烃，举行电池正负极的电子断绝，由于此类质料具有杰出的力学性能、化学稳固性以及可担当的代价。聚烯烃的熔点范畴较低，为135℃至 165℃，使得聚烯烃实用于作为热保险（fuse）质料。随着温度的升高并到达聚合体的熔点，质料的多孔性将失效，其目标是使得锂离子无法在电极之间活动，从而关断电池。同时，热敏陶瓷（PCT）设置装备部署以及宁静排挤口（safety vent）为锂离子电池提供了分外的掩护。电池的外壳，一样通常作为负极接线端，通常为典范的镀镍金属板。在壳体密封的环境下，金属微粒将大概污染电池的内部。随着时间的推移，微粒有大概迁徙至断绝器，并使得电池阳极与阴极之间的绝缘层老化。而阳极与阴极之间的微小短路将容许电子任意的活动，并终极使电池失效。绝大多数环境下，此类失效等同于电池无法供电且功效完全停止。在少数环境下，电池有大概过热、熔断、着火以致爆炸。这便是近期所报道的电池妨碍的重要泉源，并使得浩繁的厂商不得不将其产物召回。
电池办理单位（BMU）以及电池掩护
电池质料的不停开辟提拔了热失控的上限温度。另一方面，固然电池必须通过严酷的UL宁静测试，比方UL1642，但提供准确的充电状态并很好的应对多种有大概出现的电子原件妨碍仍旧是体系计划职员的职责地点。过电压、过电流、短路、过热状态以及外部门立元件的妨碍都有大概引起电池突变的失效。这就意味着必要接纳多重的掩护——在统一电池包内具有至少两个独立的掩护电路或机制。同时，还盼望具备用于检测电池内部微小短路的电子电路以制止电池妨碍。
电量计电路计划用于准确的指示可用的锂离子电池电量。该电路奇特的算法容许及时的追踪电池包的蓄电量变革、电池阻抗、电压、电流、温度以及别的电路信息。电量计主动的盘算充电及放电的速率、自放电以及电池单位老化，在电池利用寿命限期内实现了高精度的电量计量。比方，一系列专利的阻抗追踪电量计，包罗bq20z70，bq20z80以及bq20z90，均可在电池寿命限期内提供高达1%精度的计量。单个热敏电阻被用于监测锂离子电池的温度，以实现电池单位的过热掩护，并用于充电及放电限定。比方，电池单位一样通常不容许在低于0℃或高于45℃的温度范畴内充电，且不容许在电池单位温度高于65℃时放电。如检测到过电压、过电流或过热状态，电量计IC将指令控制AFE封闭充电及放电MOSFET Q1及Q2。当检测到电池欠压（under-voltage）状态时，则将指令控制AFE封闭放电MOSFET Q2，且同时连结充电MOSFET开启，以容许电池充电。
AFE的重要使命是对过载、短路的检测，并掩护充电及放电MOSFET、电池单位以及别的线路上的元件，制止过电流状态。过载检测用于检测电池放电流向上的过电流（OC），同时，短路（SC）检测用于检测充电及放电流向上的过电流。AFE电路的过载和短路限定以及耽误时间均可通过电量计数据闪存编程设定。当检测到过载或短路状态，且到达了步伐设定的耽误时间，则充电及放电MOSFET Q1及Q2将被封闭，细致的状态信息将存储于AFE的状态寄存器，从而电量计可读取并观察导致妨碍的缘故原由。
对付计量2、3或4个锂离子电池包的电量计芯片集办理方案来说，AFE起了很重要的作用。AFE提供了所需的全部高压接口以及硬件电流掩护特性。所提供的I2C兼容接口容许电量计访问AFE寄存器并设置装备部署AFE的掩护特性。AFE还集成了电池单位均衡控制。多数环境下，在多单位电池包中，每个独立电池单位的电荷状态（SOC）相互差别，从而导致了不均衡单位间的电压差别。AFE针对每一的电池单位整合了旁通通路。此类旁通通路可用于低落至每一单位的充电电流，从而为电池单位充电时期的SOC均衡提供了条件。基于阻抗追踪电量计对每一电池单位化学电荷状态简直定，可在必要单位均衡时做出准确的决议计划。
具有差别激活时间的多极过电流掩护限（如图2所示）使得电池包掩护更为矫健。电量计具有两层的充电/放电过电流掩护设定，而AFE则提供了第三层的放电过电流掩护。在短路状态下，MOSFET及电池大概在数秒内破坏，电量计芯片集完全依赖AFE来主动的关断MOSFET，以免产生破坏。
当电量计IC及其所联系关系的AFE提供过电压掩护时，电压监测的采样特性限定了此类掩护体系的响合时间。绝大多数应用要求能快速相应，且及时、独立的过电压监测器，并与电量计、AFE协同运作。该监测器独立于电量计及AFE，监测每一电池单位的电压，并针对每一到达硬件编码过电压限的电池单位提供逻辑电平输出。过电压掩护的响合时间取决于外部耽误电容的巨细。在典范的应用中，秒量级掩护器的输出将触发化学保险丝或别的失效掩护设置装备部署，以永世性的将锂离子电池与体系分散。
电池包永世性的失效掩护对付电池办理单位来说，很重要的一点是要为非正常状态下的电池包提供趋于守旧的关断。永世性的失效掩护包罗了过电流的放电及充电妨碍状态下的宁静、过热的放电及充电状态下的宁静、过电压的妨碍状态（峰值电压）以及电池均衡妨碍、短接放电FET妨碍、充电MOSFET妨碍状态下的宁静。制造商可选择任意组合上述的永世性失效掩护。当检测到任意的此类妨碍，则掩护设置装备部署将熔断化学保险丝，以使得电池包永世性的失效。作为电子元件妨碍的外部失效验证，电池办理单位计划用于检测充电及放电MOSFET Q1及Q2的失效与否。要是任意充电或放电MOSFET短路，则化学保险丝也将熔断。
据报道，电池内部的微小短路也是导致近期多起电池召回的重要缘故原由。怎样检测电池内部的微小短路并防备电池着火以致爆炸呢？外壳封闭处置处罚历程中，金属微粒及别的杂质有大概污染电池内部，从而引起电池内部的微小短路。内部的微小短路将极大地增长电池的自放电速率，使得开路电压较之正常状态下的电池单位有所低落。阻抗追踪电量计监测开路电压，并从而检测电池单位的非均衡性——当差别电池单位的开路电压差别凌驾预先设置的限定值。当出现此类失效时，将产生永世性失效的告警并断开MOSFET，化学保险丝也可设置装备部署为熔断。上述举动将使得电池包无法作为供电源并因此屏蔽了电池包内部的微小短路电池单位，从而防备了灾害的产生。
小结
电池办理单位对付确保终端用户的宁静性是至关重要的。矫健的多极掩护——过电压、过电流、过热、电池单位非均衡以及MOSFET失效监测，极大地改进了电池包的宁静性。通过监测电池单位的开环电压，阻抗追踪技能可检测电池内部的微小短路，并进而永世性的失效电池，确保了终端用户的宁静。
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