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作者:Jingrong Qian,Sihua Wen,德州儀器對(duì)于鋰離子電池包制造商來說,針對(duì)電池供電系統(tǒng)構(gòu)建安全且可靠的產(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(yùn)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)提供詳細(xì)的剩余運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(jìn)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(huì)關(guān)閉兩個(gè)和鋰離子電池串聯(lián)的背靠背(back-to-back)保護(hù)MOSFET,將電池單元斷開?；谧杩垢櫦夹g(shù)的電池管理單元(BMU)會(huì)在整個(gè)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(cè)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(duì)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(xiǎn)性,因?yàn)殇噷⒂锌赡芘c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(單元電壓)時(shí),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?yàn)榇祟惒牧暇哂凶吭降牧W(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性以及可接受的價(jià)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(xiǎn)(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(dòng),從而關(guān)斷電池。同時(shí),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(shí)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(dòng),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(bào)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(cè)試,例如UL1642,但提供正確的充電狀態(tài)并很好的應(yīng)對(duì)多種有可能出現(xiàn)的電子原件故障仍然是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)——在同一電池包內(nèi)具有至少兩個(gè)獨(dú)立的保護(hù)電路或機(jī)制。同時(shí),還希望具備用于檢測(cè)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(jì)集成電路(IC)、模擬前端電路(AFE)、獨(dú)立的二級(jí)安全保護(hù)電路。
圖1. 電池管理單元
電量計(jì)電路設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)自動(dòng)的計(jì)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(jì)量。例如,一系列專利的阻抗追蹤電量計(jì),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(jì)量。單個(gè)熱敏電阻被用于監(jiān)測(cè)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(shí)放電。如檢測(cè)到過電壓、過電流或過熱狀態(tài),電量計(jì)IC將指令控制AFE關(guān)閉充電及放電MOSFET Q1及Q2。當(dāng)檢測(cè)到電池欠壓(under-voltage)狀態(tài)時(shí),則將指令控制AFE關(guān)閉放電MOSFET Q2,且同時(shí)保持充電MOSFET開啟,以允許電池充電。
AFE的主要任務(wù)是對(duì)過載、短路的檢測(cè),并保護(hù)充電及放電MOSFET、電池單元以及其它線路上的元件,避免過電流狀態(tài)。過載檢測(cè)用于檢測(cè)電池放電流向上的過電流(OC),同時(shí),短路(SC)檢測(cè)用于檢測(cè)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(shí)間均可通過電量計(jì)數(shù)據(jù)閃存編程設(shè)定。當(dāng)檢測(cè)到過載或短路狀態(tài),且達(dá)到了程序設(shè)定的延遲時(shí)間,則充電及放電MOSFET Q1及Q2將被關(guān)閉,詳細(xì)的狀態(tài)信息將存儲(chǔ)于AFE的狀態(tài)寄存器,從而電量計(jì)可讀取并調(diào)查導(dǎo)致故障的原因。
對(duì)于計(jì)量2、3或4個(gè)鋰離子電池包的電量計(jì)芯片集解決方案來說,AFE起了很重要的作用。AFE提供了所需的所有高壓接口以及硬件電流保護(hù)特性。所提供的I2C兼容接口允許電量計(jì)訪問AFE寄存器并配置AFE的保護(hù)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(gè)獨(dú)立電池單元的電荷狀態(tài)(SOC)彼此不同,從而導(dǎo)致了不平衡單元間的電壓差別。AFE針對(duì)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平衡提供了條件?；谧杩棺粉欕娏坑?jì)對(duì)每一電池單元化學(xué)電荷狀態(tài)的確定,可在需要單元平衡時(shí)做出正確的決策。
具有不同激活時(shí)間的多極過電流保護(hù)限(如圖2所示)使得電池包保護(hù)更為強(qiáng)健。電量計(jì)具有兩層的充電/放電過電流保護(hù)設(shè)定,而AFE則提供了第三層的放電過電流保護(hù)。在短路狀態(tài)下,MOSFET及電池可能在數(shù)秒內(nèi)毀壞,電量計(jì)芯片集完全依靠AFE來自動(dòng)的關(guān)斷MOSFET,以免產(chǎn)生毀壞。
圖2. 多級(jí)電池過電流保護(hù)
當(dāng)電量計(jì)IC及其所關(guān)聯(lián)的AFE提供過電壓保護(hù)時(shí),電壓監(jiān)測(cè)的采樣特性限制了此類保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。絕大多數(shù)應(yīng)用要求能快速響應(yīng),且實(shí)時(shí)、獨(dú)立的過電壓監(jiān)測(cè)器,并與電量計(jì)、AFE協(xié)同運(yùn)作。該監(jiān)測(cè)器獨(dú)立于電量計(jì)及AFE,監(jiān)測(cè)每一電池單元的電壓,并針對(duì)每一達(dá)到硬件編碼過電壓限的電池單元提供邏輯電平輸出。過電壓保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間取決于外部延遲電容的大小。在典型的應(yīng)用中,秒量級(jí)保護(hù)器的輸出將觸發(fā)化學(xué)保險(xiǎn)絲或其它失效保護(hù)設(shè)備,以永久性的將鋰離子電池與系統(tǒng)分離。
電池包永久性的失效保護(hù)
對(duì)于電池管理單元來說,很重要的一點(diǎn)是要為非正常狀態(tài)下的電池包提供趨于保守的關(guān)斷。永久性的失效保護(hù)包括了過電流的放電及充電故障狀態(tài)下的安全、過熱的放電及充電狀態(tài)下的安全、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)下的安全。制造商可選擇任意組合上述的永久性失效保護(hù)。當(dāng)檢測(cè)到任意的此類故障,則保護(hù)設(shè)備將熔斷化學(xué)保險(xiǎn)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(yàn)證,電池管理單元設(shè)計(jì)用于檢測(cè)充電及放電MOSFET Q1及Q2的失效與否。如果任意充電或放電MOSFET短路,則化學(xué)保險(xiǎn)絲也將熔斷。
據(jù)報(bào)道,電池內(nèi)部的微小短路也是導(dǎo)致近期多起電池召回的主要原因。如何檢測(cè)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(jì)監(jiān)測(cè)開路電壓,并從而檢測(cè)電池單元的非均衡性——當(dāng)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(dāng)出現(xiàn)此類失效時(shí),將產(chǎn)生永久性失效的告警并斷開MOSFET,化學(xué)保險(xiǎn)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內(nèi)部的微小短路電池單元,從而防止了災(zāi)害的發(fā)生。
小結(jié)
電池管理單元對(duì)于確保終端用戶的安全性是至關(guān)重要的。強(qiáng)健的多極保護(hù)——過電壓、過電流、過熱、電池單元非均衡以及MOSFET失效監(jiān)測(cè),極大地改善了電池包的安全性。通過監(jiān)測(cè)電池單元的開環(huán)電壓,阻抗追蹤技術(shù)可檢測(cè)電池內(nèi)部的微小短路,并進(jìn)而永久性的失效電池,確保了終端用戶的安全。
參考文獻(xiàn)
[1] Spencer Chin, "Battery recall could cost Sony over $170 million" EE Times, August 25, 2006
