電池管理電子設(shè)備如何增強(qiáng)電池的安全性
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時(shí)間：2010-05-07
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
AFE的主要任務(wù)是對(duì)過(guò)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(guò)電流狀態(tài)。過(guò)載檢測(cè)用于檢測(cè)電池放電流向上的過(guò)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(guò)電流。AFE電路的過(guò)載和短路限定以及延遲時(shí)間均可通過(guò)電量計(jì)數(shù)據(jù)閃存編程設(shè)定。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)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(lái)說(shuō)，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(wèn)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(guò)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(guò)電流保護(hù)設(shè)定，而AFE則提供了第三層的放電過(guò)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(lái)自動(dòng)的關(guān)斷MOSFET，以免產(chǎn)生毀壞。
圖2. 多級(jí)電池過(guò)電流保護(hù)
當(dāng)電量計(jì)IC及其所關(guān)聯(lián)的AFE提供過(guò)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(guò)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(guò)電壓限的電池單元提供邏輯電平輸出。過(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)電流的放電及充電故障狀態(tài)下的安全、過(guò)熱的放電及充電狀態(tài)下的安全、過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)路電壓，并從而檢測(cè)電池單元的非均衡性DD當(dāng)不同電池單元的開(kāi)路電壓差異超過(guò)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(kāi)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(wú)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)DD過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)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(guò)監(jiān)測(cè)電池單元的開(kāi)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。
評(píng)論