便攜式電源中的安全考慮

在錯誤的條件下使用錯誤的電池會造成故障和爆炸。仔細(xì)的設(shè)計就會避免電池破裂和爆炸等意外，減少有害的電化學(xué)反應(yīng)和失誤帶來的風(fēng)險。

鋰離子電池具有很多優(yōu)于其他可充電電池的特性，包括高能量密度、重量輕、生命周期長、容量保持特性好、環(huán)境溫度適應(yīng)范圍大和電流忍耐能力強(qiáng)，等等。鋰離子電池對環(huán)境的適應(yīng)能力比其他化學(xué)電池要強(qiáng)，但是大容量的特點(diǎn)則意味著電池組必須要設(shè)計得更加安全。

圖1  安全設(shè)計可避免很多事故

使用概況

挑選鋰電池組的一個重要步驟就是全面描述設(shè)備的“真實(shí)使用概況”。舉例來說，不同設(shè)備的溫度極限會導(dǎo)致相同的電池產(chǎn)生不同的表現(xiàn)結(jié)果。電池的使用概況包括以下一些參數(shù)，如工作電壓范圍、電流占空比、環(huán)境和工作溫度、周期性行為、充電和運(yùn)行時間、頻率以及充放電周期的次數(shù)。在設(shè)計和開發(fā)過程中，電池生產(chǎn)商的說明書不會包含這種詳細(xì)信息。只有了解所有的參數(shù)后，電池組才能無縫地集成到便攜式設(shè)備中。

最好的電池設(shè)計應(yīng)包括一個冗余保護(hù)電路，即在主電路失靈的情況下，輔助電路也能發(fā)揮作用。這樣，電池只會在一種情況下失靈，即所有的電路都同時發(fā)生故障。

電池組的部件

智能電池組除了包含多個保護(hù)電路和熱傳感器外，還具有高級智能功能。這種電池組通常會包含一個通信部件，其可對充放電次數(shù)進(jìn)行計量，還包含一個燃料計來追蹤每個工作周期的剩余時間和報告電池的安全狀況。

基于電壓的燃料計主要依靠周期性的電壓測量來了解電池容量。這個辦法有其局限，因?yàn)樗荒芄烙嬒鄬θ萘亢徒o出超標(biāo)信息。一線式方法可通過測量輸入電流的總量來計算電池容量。此方法需要微處理器的協(xié)同，通過連接在電池負(fù)終端和地之間的感應(yīng)電阻來監(jiān)控電壓降，以此來判定電池的充放電活動。兩線或庫侖式計量方法，可在電池使用過程中來進(jìn)行絕對容量評估。兩線式方法中最常見的協(xié)議是I2C和SMBus。

一旦電池組組裝完畢后，多數(shù)燃料計就要完成“學(xué)習(xí)循環(huán)”過程，以使電池能記住哪部分是空的和哪部分是滿的，然后就能正確地設(shè)置燃料計。但最先進(jìn)的燃料計即使不需要學(xué)習(xí)周期，也能達(dá)到99％的準(zhǔn)確性，它們往往使用在關(guān)鍵應(yīng)用中。

聰明的電池系統(tǒng)是許多先進(jìn)手持設(shè)備的重要選擇。它們的先進(jìn)特性允許最終使用者能智能地管理設(shè)備和避免故障或關(guān)閉。

圖2  由微處理器控制的充電狀態(tài)

保護(hù)性測量

對鋰電池內(nèi)部的安全測量要依靠熱關(guān)斷隔離器，它能分離陽極和陰極物質(zhì)，并使用一種材料來確保內(nèi)部電阻在電池溫度超過關(guān)斷點(diǎn)時能夠增加。

此外，電池的認(rèn)證程序也是非常有用的。當(dāng)帶有微小控制器的電池同嵌入在主設(shè)備中的處理器相通信后，電池組就會啟動認(rèn)證程序。這種認(rèn)證不僅能保護(hù)由不當(dāng)使用電池組造成的故障，還能防止使用反向系統(tǒng)程序來剽竊電池專利的行為。

對于電池中使用的材料也要進(jìn)行監(jiān)控，因?yàn)殡姵亟M中的重金屬必須要得到限制。歐洲的RoHS指令暫時不適用于電池，一些設(shè)備目前是通過歐洲電池指令91/157/EEC來管理的，其包括了將電池進(jìn)行回收的要求。