保持安全：鋰離子電池

隨著鋰離子電池在我們所有的電子產(chǎn)品中變得越來(lái)越普遍，有很多電路可以防止它們爆炸。本文將討論現(xiàn)有的眾多保護(hù)架構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)。

電子產(chǎn)品

盡管鋰離子化學(xué)與其他電池化學(xué)相比具有許多優(yōu)勢(shì)，但最大的缺點(diǎn)是其安全性能。如果使用不當(dāng)，鋰離子電池會(huì)產(chǎn)生熱事件。堅(jiān)固的電子設(shè)備和保險(xiǎn)絲需要納入電池設(shè)計(jì)中，以確保其在安全運(yùn)行條件下運(yùn)行。

鋰離子電池中常用的典型電池管理系統(tǒng) (BMS)。電池管理系統(tǒng)最重要的元素是確保鋰離子電池的正確使用。這包括正在監(jiān)視以下事項(xiàng)以確保其處于正常運(yùn)行條件內(nèi)：

· 放電電流：這是離開(kāi)電池為負(fù)載供電的電流。所有電池都額定為它可以處理的特定放電電流。有些電池的額定溫度可高達(dá) 100C(額定容量的 100 倍)，而有些電池只能處理低于 1C 的溫度。

· 充電電流：這是進(jìn)入電池為電池充電的電流。所有電池都額定為它可以處理的特定充電電流。一些電池具有高額定充電電流能力以實(shí)現(xiàn)快速充電。

· 電壓：這是單個(gè)電池上的電壓。鋰離子電池需要保持在一定范圍內(nèi)的電壓。超出該范圍，尤其是在高端范圍內(nèi)可能會(huì)導(dǎo)致熱問(wèn)題。過(guò)電壓是您可以對(duì)電池做的最危險(xiǎn)的事情之一。

· 溫度：這是電池上的溫度。細(xì)胞需要在給定的范圍內(nèi)操作。通常，放電時(shí)應(yīng)在-20C至60C之間，充電時(shí)應(yīng)在0C至40C之間。

如果電子設(shè)備檢測(cè)到上述任何一項(xiàng)超出了電池規(guī)定的范圍，那么它將關(guān)閉電池。有幾種方法可以關(guān)閉電池。大多數(shù) BMS 系統(tǒng)使用這些方式的組合。

1. PTC—— 正溫度系數(shù)熱敏電阻與電池串聯(lián)。當(dāng)電流增加時(shí)，PTC 的電阻會(huì)隨著溫度的升高而增加，從而產(chǎn)生開(kāi)路并將電池與應(yīng)用程序斷開(kāi)連接。這是為電池添加保護(hù)的一種非常常見(jiàn)的方法。一些電池將內(nèi)置 PTC，提供額外的保護(hù)。

2.電流保險(xiǎn)絲 ——另一種電流保護(hù)方法是將電流保險(xiǎn)絲與電池串聯(lián)。一旦電流超過(guò)保險(xiǎn)絲的額定值，保險(xiǎn)絲就會(huì)斷開(kāi)。大多數(shù)系統(tǒng)將此作為次要的最后手段選項(xiàng)，因?yàn)樗鼘⒂谰猛耆P(guān)閉電池。

3.溫度保險(xiǎn)絲 ——當(dāng)溫度超過(guò)其額定值時(shí)，該保險(xiǎn)絲將打開(kāi)。就像電流保險(xiǎn)絲一樣，這是永久關(guān)閉的。

4. MOSFET—— 關(guān)閉電池的最常見(jiàn)方法之一是使用 MOSFET 。MOSFET 通常連接到保護(hù) IC。保護(hù) IC 測(cè)量電池上的電壓、流入和流出電池的電流，在某些情況下還測(cè)量電池上的溫度。如果 IC 檢測(cè)到其中任何一個(gè)超出范圍，它們將向 MOSFET 發(fā)送信號(hào)以將其關(guān)閉。由于電流可以是雙向的(充電電流和放電電流)，因此使用背靠背 MOSFET。

如果在電池組 + 側(cè)使用 N 溝道 MOSFET，則 IC 需要有一個(gè)電荷泵，可以提供高于電池電壓的柵極電壓。大多數(shù)簡(jiǎn)單的保護(hù) IC 都沒(méi)有電荷泵，因此有 2 個(gè)選項(xiàng)：

· 使用電池組側(cè)的 N 溝道 MOSFET 斷開(kāi)電池。這里的缺點(diǎn)是需要了解和減輕電池接地?cái)嚅_(kāi)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響。

· 使用電池組 + 側(cè)的 P 溝道 MOSFET 斷開(kāi)電池。P 溝道 MOSFET 不如 N 溝道常見(jiàn)，而且選擇可能不是很好。它們通常比 N 通道更昂貴。

有幾家制造商提供保護(hù) IC，例如德州儀器 (TI)、精工和三美。

5.化學(xué)保險(xiǎn)絲 ——化學(xué)保險(xiǎn)絲也用于電池組中，用于二次過(guò)電壓保護(hù)?；瘜W(xué)保險(xiǎn)絲 的工作原理類似于電流保險(xiǎn)絲，但它也具有使用內(nèi)置加熱器自行熔斷的能力。端子 T3 接地，從而激活加熱器并熔斷保險(xiǎn)絲。在電池中使用化學(xué)保險(xiǎn)絲的最常見(jiàn)方法是用于二次過(guò)電壓保護(hù)。端子 T3 連接到次級(jí)過(guò)壓保護(hù) IC，當(dāng)它檢測(cè)到一個(gè)或多個(gè)電池高于特定電壓范圍時(shí)，它就會(huì)啟動(dòng)。要啟動(dòng)二級(jí)保護(hù)，這必須意味著一級(jí)保護(hù)電路不工作并且電池組出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。此時(shí)永久禁用電池組是明智之舉。許多需要通過(guò) UL2054 測(cè)試的電池組都有一個(gè)化學(xué)保險(xiǎn)絲，用于二次過(guò)壓保護(hù)。

6.繼電器/接觸器 ——另一種選擇是使用繼電器或接觸器來(lái)切換電池負(fù)載。對(duì)于更大的電池組(叉車電池、車輛電池等)來(lái)說(shuō)，這是一種非常流行的方法。主要優(yōu)點(diǎn)是繼電器/接觸器可以承載大量電流。它們也是獨(dú)立控制的(與 MOSFET 不同)，因此低電壓信號(hào)可以切換輸入/輸出大電壓輸出。

盡管鋰離子電池經(jīng)常成為新聞，但其電子設(shè)備中有許多方法可以保證其安全。強(qiáng)烈建議在您的電池組設(shè)計(jì)中始終具有冗余保護(hù)功能。至少有兩種獨(dú)立的過(guò)流和過(guò)壓關(guān)斷方式，以減輕主保護(hù)電路的任何故障或損壞。