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電池管理電子如何提高電池安全性?

上網時間: 2007年09月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:鋰離子電池  電池管理電子 

鋰離子電池組製造商必須製造安全可靠的產品,提供電池供電型系統使用。電池組的電池管理電子會監控鋰離子電池的操作狀態,包括電池阻抗、溫度、電壓、充電和放電電流以及充電狀態,以便提供詳細的剩餘供電時間和電池健康資訊,確保系統做出正確的電源管理決定。

另外,為了增強電池安全,只要出現電流過載、短路、個別電池或電池組電壓過載或是過熱等任何故障現象,電池組內與鋰離子電池串聯的兩顆MOSFET保護開關就會切斷系統與電池的連線。採用Impedance Track技術的電池管理元件會監控電池使用期間的阻抗,並且注意電池電壓是否平衡,這能偵測出電池微短路(micro-short)並避免電池起火或爆炸。

鋰離子電池安全性

過高的操作溫度會加速電池劣化,甚至導致鋰離子電池熱失控和爆炸。鋰離子電池因為含有活性很高的材料,故在這方面需要特別注意,譬如短路或大電流過度充電都會導致電池溫度急遽上升。鋰離子電池過度充電時,陽極會沉積活性很高的金屬鋰,而與電解質或陰極材料等許多物質激烈反應,大幅增加鋰離子電池的爆炸危險。

舉例來說,鋰/碳插層化合物會與水反應釋出氫氣,這些氫氣可能被反應過程的高溫所點燃。在4.3V電池電壓下,只要溫度超過175℃的熱失控臨界值,LiCoO2等陰極材料就會與電解質起反應。

由於聚烯烴之類的材料擁有優異的機械性質和化學穩定性,成本也在可接受範圍之內,鋰離子電池即利用此類材料作為微孔薄膜以隔離正負電極。聚烯烴的熔點很低,約從135℃到165℃,很適合作為溫度保險絲。聚烯烴的微孔結構會在溫度接近熔點時破壞,使鋰離子無法在電極之間移動,進而達到切斷電池的目的;另外,鋰離子電池還包含1個PTC元件和安全氣孔,以提供進一步保護。

鋰離子電池的外殼通常是由鍍鎳金屬製成,多半做為電池的負極。但是在外殼密封後,金屬粒子就有可能滲入電池中,並逐漸移動到隔離膜,使得陽極和陰極之間的絕緣層失效。這會在陽極和陰極之間產生微短路,並讓電子在兩邊自由移動,最終導致電池故障。這類故障通常只會造成電池切斷電力和停止工作,但有時也會使得電池過熱、熔化、起火或爆炸。據說這是有些製造商近來大規模召回某些故障電池的主要原因。

電池管理單元與電池保護

許多廠商正在開發新的電池材料,希望能提高熱失控的溫度臨界值。另一方面,雖然電池必須通過UL1642之類嚴格的UL安全性測試,設計人員仍須提供正確的充電條件,並為多顆電子零件的可能故障做好準備。

系統應採用冗餘保護設計,也就是在同一電池組裡提供兩組以上獨立的保護電路或機制,即可應避免電池因為電壓過載、電流過載、短路、過熱和外部零件失效而出現嚴重的故障。最好還有電子電路偵測電池內部是否發生微短路現象,以防止電池失效。圖1是電池組的電池管理單元方塊圖,其中包括電池計量元件、類比前端電路和獨立的第二層安全保護電路。


圖1:電池管理單元

電池計量電路是用來報告精確的鋰離子電池剩餘電力,其獨特的演算法可以即時追蹤電池組的電池容量變化、電池阻抗、電壓、電流、溫度和其它重要資訊。電池計量電路會自動把充電與放電率、自放電率和電池老化程度列入考慮,就算電池老化也提供電池計量精確度。舉例來說,bq20z70、bq20z80和bq20z90就是TI採用Impedance Track專利技術的一系列電池計量元件,可在整個電池壽命期間提供1%的電池計量精確度。

電池管理單元還利用一個熱敏電阻監控鋰離子電池溫度,以提供電池過熱保護和充電及放電限制。例如電池通常不能在溫度低於0℃或高於45℃時充電,也不能在電池溫度超過65℃時放電。若電池計量元件偵測到電壓過載、電流過載或過熱等現象,就會命令類比前端電路關閉充電與放電MOSFET Q1和Q2;若它發現電池電壓過低,則會命令類比前端電路關閉放電MOSFET Q2,但是讓充電MOSFET繼續保持導通狀態,使系統進行充電。

類比前端電路的主要功能是偵測過載或短路現象,並保護充電和放電MOSFET、電池和其它線上零件,避免它們的電流過大。過載偵測功能可偵測電池放電方向的電流過載,短路偵測則能偵測放電和充電方向的電流過載。透過電池計量元件的資料快閃記憶體,系統還能設定類比前端電路的過載及短路保護臨界值與延遲時間。

當類比前端電路系統發現過載或短路,並且超過預設的延遲時間時,就會將充電與放電MOSFET Q1和Q2關閉,同時將詳細狀況存入其狀態暫存器,以便電池計量元件讀取和分析故障原因。類比前端電路是2、3或4顆鋰離子電池計量晶片組解決方案的重要元件,負責提供所有的高壓界面和硬體電流保護功能。它有一組I2C相容介面,電池計量元件可透過該界面存取類比前端電路的暫存器和設定其保護功能。

類比前端元件還包含電池平衡控制功能,這是因為在多顆電池構成的電池組中,個別電池的充電狀態在許多情形下會出現差異,使得它們的電壓各有不同而導致電池不平衡。類比前端電路為了解決這個問題,會替每個電池提供一條旁通路徑,可用來減少任何一個電池的充電電流,確保這些電池在充電過程維持平衡的充電狀態。Impedance Track電池計量元件可以偵測每個電池的化學充電狀態,故能在需要電池平衡時正確設定這些旁通路徑。

要提供更安全可靠的電池組保護功能,可如圖2所示採用多種電流過載臨界值和不同的啟動時間。電池計量元件有兩層的充電/放電電流過載保護設定值,類比前端電路則提供第三層放電電流過載保護。如果發生短路,MOSFET與電池可能在數秒內損壞,因此電池計量晶片組必須靠著類比前端電路在這類故障發生時,自動切斷MOSFET。


圖2:多層次的電池電流過載保護

電池計量元件和相關的類比前端電路雖能提供電壓過載保護,但它們仍須透過取樣才能監控電壓,因此整個保護系統的反應時間會受到限制。為解決這個問題,多數應用需要反應快速、即時和獨立的電壓過載監控器,並讓它與電池計量及類比前端電路一起工作。

這個監控器會獨立監視各個電池電壓,並在電壓值達到硬體設定的電壓過載臨界值時,切換邏輯輸出位準狀態,電壓過載保護的反應時間則由外接延遲電容器的電容值決定。在多數應用裡,第二層保護電路的輸出會觸發化學保險絲或其它的故障安全保護裝置,進而將鋰離子電池與系統的連線永久切斷。

電池組永久故障保護

電池管理單元須以謹慎安全的方式因應異常狀況,並在必要時立即切斷電池組。電池組可能遇到許多不同的永久性故障,包括充電與放電電流過載、充電與放電過熱、電池組電壓過載、電池不平衡、以及放電FET和充電MOSFET短路等故障,製造商必須決定要提供前述的那些永久故障偵測功能。

電池管理單元偵測到前述任何一種故障時,就會燒斷化學保險絲讓電池組停止工作。為了進一步預防電子零件故障,電池管理單元還能偵測充電與放電MOSFET Q1和Q2是否失效;如果充電或放電MOSFET短路,它也會燒斷化學保險絲。

據說在最近幾次的大規模電池召回行動中,電池內部微短路都是主要的故障原因。設計人員要如何偵測電池內部的微短路,並防止電池起火或爆炸?當電池外殼密封過程產生的金屬微粒或其它雜質滲入電池時,就可能造成電池內部出現微短路。內部微短路會大幅增加自放電率,使電池的開路電壓低於正常電池。

Impedance Track電池計量元件會監控開路電壓,並在不同電池的開路電壓差異超過臨界值時,偵測出這種電池不平衡的現象。當這種故障現象發生時,計量元件會產生一個永久故障訊號並切斷MOSFET,有些設計還會將化學保險絲燒斷。這使電池組無法再做為電源,同時將電池組與發生內部微短路的電池完全隔離,避免它造成任何損害。

結語

電池管理單元對於使用者的安全很重要,它應提供多種層次和強大可靠的電壓過載、電流過載、過熱和電池不平衡保護以及MOSFET故障偵測功能,這樣才能大幅提高電池組的安全性。Impedance Track技術可以監控電池開路電壓,然後根據該電壓判斷電池內部是否出現微短路,並在必要時永久切斷電池工作,讓使用者獲得更完善的安全保護。

作者:德州儀器•Jinrong Qian、Sihua Wen




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