便攜式電源中的安全考慮

在錯(cuò)誤的條件下使用錯(cuò)誤的電池會(huì)造成故障和爆炸。仔細(xì)的設(shè)計(jì)就會(huì)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(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

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(zhǎng)、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(duì)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(jì)得更加安全。

圖1  安全設(shè)計(jì)可避免很多事故

使用概況

挑選鋰電池組的一個(gè)重要步驟就是全面描述設(shè)備的“真實(shí)使用概況”。舉例來(lái)說(shuō)，不同設(shè)備的溫度極限會(huì)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(shí)間、頻率以及充放電周期的次數(shù)。在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，電池生產(chǎn)商的說(shuō)明書不會(huì)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(wú)縫地集成到便攜式設(shè)備中。

最好的電池設(shè)計(jì)應(yīng)包括一個(gè)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(huì)在一種情況下失靈，即所有的電路都同時(shí)發(fā)生故障。

電池組的部件

智能電池組除了包含多個(gè)保護(hù)電路和熱傳感器外，還具有高級(jí)智能功能。這種電池組通常會(huì)包含一個(gè)通信部件，其可對(duì)充放電次數(shù)進(jìn)行計(jì)量，還包含一個(gè)燃料計(jì)來(lái)追蹤每個(gè)工作周期的剩余時(shí)間和報(bào)告電池的安全狀況。

基于電壓的燃料計(jì)主要依靠周期性的電壓測(cè)量來(lái)了解電池容量。這個(gè)辦法有其局限，因?yàn)樗荒芄烙?jì)相對(duì)容量和給出超標(biāo)信息。一線式方法可通過(guò)測(cè)量輸入電流的總量來(lái)計(jì)算電池容量。此方法需要微處理器的協(xié)同，通過(guò)連接在電池負(fù)終端和地之間的感應(yīng)電阻來(lái)監(jiān)控電壓降，以此來(lái)判定電池的充放電活動(dòng)。兩線或庫(kù)侖式計(jì)量方法，可在電池使用過(guò)程中來(lái)進(jìn)行絕對(duì)容量評(píng)估。兩線式方法中最常見(jiàn)的協(xié)議是I2C和SMBus。

一旦電池組組裝完畢后，多數(shù)燃料計(jì)就要完成“學(xué)習(xí)循環(huán)”過(guò)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(jì)。但最先進(jìn)的燃料計(jì)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(cè)量

對(duì)鋰電池內(nèi)部的安全測(cè)量要依靠熱關(guān)斷隔離器，它能分離陽(yáng)極和陰極物質(zhì)，并使用一種材料來(lái)確保內(nèi)部電阻在電池溫度超過(guò)關(guān)斷點(diǎn)時(shí)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(huì)啟動(dòng)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(lái)剽竊電池專利的行為。

對(duì)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(shí)不適用于電池，一些設(shè)備目前是通過(guò)歐洲電池指令91/157/EEC來(lái)管理的，其包括了將電池進(jìn)行回收的要求。