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整合式CFE防護提高充電系統層級安全性

作者: 時(shí)間:2011-12-14 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

本文將探討鋰電池安全性、充電電池設計、安全監控,以及安全性等主要系統設計考量。

  電池充電器IC角色關(guān)鍵

  圖1顯示一般的電池,該系統輸入可以是交流電(AC)墻式轉接器供應的直流電(DC)電源,或通用序列匯流排(USB)介面供應的DC電源。一般的電池包括充電前端(CFE)、電池充電器及電池組。積體電路(IC)整合輸入過(guò)壓、過(guò)流及電池過(guò)壓等防護機制,能夠提高電池供電系統的安全性。電池充電器IC可調節電池充電電壓及電流,并監控電池溫度,以延長(cháng)電池使用壽命,并提高安全性。了解鋰電池特性,對于設計更安全的充電系統而言相當重要。

  

一般的電池充電系統

  圖1 一般的電池充電系統

  鋰電池安全性不可忽視

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

  鋰電池過(guò)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 )大幅提高火災發(fā)生機率,因為只要接觸電解液和負極材料就會(huì )爆裂。例如,鋰/碳嵌入化合物遇水會(huì )發(fā)生化學(xué)反應,而反應產(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)等負極材料在溫度超過(guò)熱失控臨界值175℃時(shí),就會(huì )與電解液發(fā)生反應(圖2)。鋰電池采用聚烯烴(Polyolefin)等多微孔薄膜(Micro-porous Film)將正負電極加以電隔離。這些電極可達到絕佳的機械屬性與化學(xué)穩定性,且價(jià)格合理。聚烯烴的熔點(diǎn)較低,介于135~165℃之間,可作為溫度保險絲。隨著(zhù)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。

  

整合式CFE防護提高充電系統層級安全性

  圖2 電池熱失控

  此外,正向溫度系數(PTC)裝置和安全出口(Vent)能提供額外防護,一般而言,負極終端外殼通常采用鍍鎳鋼鐵。外殼封閉后,金屬粒子會(huì )污染電池內部。這些粒子會(huì )隨著(zhù)時(shí)間進(jìn)入分離器,導致電池正負極兩側之間的絕緣層衰減,這會(huì )造成正負極之間的微小短路,使電子自由流動(dòng),最終導致電池故障。這種故障通常只會(huì )導致電池電量耗盡,無(wú)法正常運作。在極罕見(jiàn)情況下,電池會(huì )出現過(guò)熱、融化、起火甚至爆裂等現象。

  安全電池充電器設計三部曲

  

整合式CFE防護提高充電系統層級安全性

  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,首先是預先充電,接著(zhù)是快速充電穩定電流(CC),最后是穩定電壓(CV)。在預先充電中,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(cháng)期沉積后可能溶解,便可逐漸恢復。此外,過(guò)度放電的陽(yáng)極短路電池上出現部分銅分解時(shí),預先充電可防止在1℃充電速率(可在1個(gè)小時(shí)內使電池完全放電的電流)下出現過(guò)熱狀況。

  圖3 鋰電池充電配置

  預先充電安全計時(shí)器,可避免電量耗盡的電池長(cháng)時(shí)間充電。一般而言,電池電壓達到3.0伏特,充電器就會(huì )進(jìn)入CC階段??焖俪潆婋娏魍ǔO薅ㄔ?.5~1℃之間,以避免過(guò)熱導致電池加速衰減。速率必須慎選,確保電池溫度不超過(guò)45℃,以快速充電速率進(jìn)行電池充電,直至電壓達到調節限度(對于LiCoO2的陰極通常是每顆電池4.2伏特)為止。充電器開(kāi)始調節電池電壓并進(jìn)入CV階段,此時(shí)充電電流會(huì )等比下降至預先定義的終止程度,結束電池充電。

  對于電池使用壽命及安全性而言,電池充電電壓的準確性相當重要。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 )達到4.3伏特,這會(huì )導致熱失控及安全性問(wèn)題。為避免電池高溫充電,并提高安全性,充電器IC必須監控電池組的溫度。只有在電池溫度維持在安全范圍內(0~45℃)時(shí),電池才能充電,電池組通常會(huì )利用電熱調節器讓溫度達到安全范圍。此外,通常須要快速充電安全計時(shí)器,避免電量耗盡的電池長(cháng)時(shí)間充電。一旦經(jīng)過(guò)安全時(shí)間,即便電池未達到充電終止電流狀態(tài),電池充電器也必須結束充電。

  

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