對于鋰離子電池包制造商來說，針對電池供電系統(tǒng)構(gòu)建安全且可靠的產(chǎn)品是至關(guān)重要的,。電池包中的電池管理電路可以監(jiān)控鋰離子電池的運(yùn)行狀態(tài),，包括了電池阻抗、溫度,、單元電壓,、充電和放電電流以及充電狀態(tài)等，以為系統(tǒng)提供詳細(xì)的剩余運(yùn)轉(zhuǎn)時間和電池健康狀況信息,，確保系統(tǒng)作出正確的決策,。此外，為了改進(jìn)電池的安全性能,，即使只有一種故障發(fā)生,，例如過電流、短路,、單元和電池包的電壓過高,、溫度過高等，系統(tǒng)也會關(guān)閉兩個和鋰離子電池串聯(lián)的背靠背(back-to-back)保護(hù)MOSFET,，將電池單元斷開,。基于阻抗跟蹤技術(shù)的電池管理單元（BMU）會在整個電池使用周期內(nèi)監(jiān)控單元阻抗和電壓失衡,，并有可能檢測電池的微小短路(micro-short),，防止電池單元造成火災(zāi)乃至爆炸。
鋰離子電池安全
過高的工作溫度將加速電池的老化,，并可能導(dǎo)致鋰離子電池包的熱失控(thermal run-away)及爆炸,。對于鋰離子電池高度活性化的含能材料來說，這一點(diǎn)是備受關(guān)注的,。大電流的過度充電及短路都有可能造成電池溫度的快速上升,。鋰離子電池過度充電期間，活躍得金屬鋰沉積在電池的正極,，其材料極大的增加了爆炸的危險性,，因?yàn)殇噷⒂锌赡芘c多種材料起反應(yīng)而爆炸，包括了電解液及陰極材料,。例如,，鋰/碳插層混合物(intercalated compound)與水發(fā)生反應(yīng)，并釋放出氫氣,，氫氣有可能被反應(yīng)放熱所引燃,。陰極材料,，諸如LiCoO2，在溫度超過175℃的熱失控溫度限（4.3V單元電壓）時,，也將開始與電解液發(fā)生反應(yīng),。
鋰離子電池使用很薄的微孔膜(micro-porous film)材料，例如聚烯烴,，進(jìn)行電池正負(fù)極的電子隔離,，因?yàn)榇祟惒牧暇哂凶吭降牧W(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性以及可接受的價格,。聚烯烴的熔點(diǎn)范圍較低,，為135℃至 165℃，使得聚烯烴適用于作為熱保險(fuse)材料,。隨著溫度的升高并達(dá)到聚合體的熔點(diǎn)，材料的多孔性將失效,，其目的是使得鋰離子無法在電極之間流動,，從而關(guān)斷電池。同時,，熱敏陶瓷(PCT)設(shè)備以及安全排出口(safety vent)為鋰離子電池提供了額外的保護(hù),。電池的外殼，一般作為負(fù)極接線端,，通常為典型的鍍鎳金屬板,。在殼體密封的情況下，金屬微粒將可能污染電池的內(nèi)部,。隨著時間的推移,，微粒有可能遷移至隔離器，并使得電池陽極與陰極之間的絕緣層老化,。而陽極與陰極之間的微小短路將允許電子肆意的流動,，并最終使電池失效。絕大多數(shù)情況下,，此類失效等同于電池?zé)o法供電且功能完全終止,。在少數(shù)情況下，電池有可能過熱,、熔斷,、著火乃至爆炸。這就是近期所報道的電池故障的主要根源,，并使得眾多的廠商不得不將其產(chǎn)品召回,。
電池管理單元(BMU)以及電池保護(hù)
電池材料的不斷開發(fā)提升了熱失控的上限溫度。另一方面,，雖然電池必須通過嚴(yán)格的UL安全測試,，例如UL16?2,，但提供正確的充電狀態(tài)并很好的應(yīng)對多種有可能出現(xiàn)的電子原件故障仍然是系統(tǒng)設(shè)計人員的職責(zé)所在。過電壓,、過電流,、短路、過熱狀態(tài)以及外部分立元件的故障都有可能引起電池突變的失效,。這就意味著需要采取多重的保護(hù)――在同一電池包內(nèi)具有至少兩個獨(dú)立的保護(hù)電路或機(jī)制,。同時，還希望具備用于檢測電池內(nèi)部微小短路的電子電路以避免電池故障,。
圖1展示了電池包內(nèi)電池管理的單元方框圖,，其組成包括了電量計集成電路(IC)、模擬前端電路(AFE),、獨(dú)立的二級安全保護(hù)電路,。
圖1. 電池管理單元
電量計電路設(shè)計用于精確的指示可用的鋰離子電池電量。該電路獨(dú)特的算法允許實(shí)時的追蹤電池包的蓄電量變化,、電池阻抗,、電壓、電流,、溫度以及其它電路信息,。電量計自動的計算充電及放電的速率、自放電以及電池單元老化,，在電池使用壽命期限內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高精度的電量計量,。例如，一系列專利的阻抗追蹤電量計,，包括bq20z70,，bq20z80以及bq20z90，均可在電池壽命期限內(nèi)提供高達(dá)1%精度的計量,。單個熱敏電阻被用于監(jiān)測鋰離子電池的溫度,，以實(shí)現(xiàn)電池單元的過熱保護(hù)，并用于充電及放電限定,。例如,，電池單元一般不允許在低于0℃或高于45℃的溫度范圍內(nèi)充電，且不允許在電池單元溫度高于65℃時放電,。如檢測到過電壓,、過電流或過熱狀態(tài)，電量計IC將指令控制AFE關(guān)閉充電及放電MOSFET Q1及Q2,。當(dāng)檢測到電池欠壓(under-voltage)狀態(tài)時,，則將指令控制AFE關(guān)閉放電MOSFET Q2，且同時保持充電MOSFET開啟,，以允許電池充電,。
AFE的主要任務(wù)是對過載,、短路的檢測，并保護(hù)充電及放電MOSFET,、電池單元以及其它線路上的元件,，避免過電流狀態(tài)。過載檢測用于檢測電池放電流向上的過電流(OC),，同時,，短路(SC)檢測用于檢測充電及放電流向上的過電流。AFE電路的過載和短路限定以及延遲時間均可通過電量計數(shù)據(jù)閃存編程設(shè)定,。當(dāng)檢測到過載或短路狀態(tài),，且達(dá)到了程序設(shè)定的延遲時間，則充電及放電MOSFET Q1及Q2將被關(guān)閉,，詳細(xì)的狀態(tài)信息將存儲于AFE的狀態(tài)寄存器,，從而電量計可讀取并調(diào)查導(dǎo)致故障的原因。
對于計量2,、3或4個鋰離子電池包的電量計芯片集解決方案來說,，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訪問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,。基于阻抗追蹤電量計對每一電池單元化學(xué)電荷狀態(tài)的確定,，可在需要單元平衡時做出正確的決策,。
具有不同激活時間的多極過電流保護(hù)限（如圖2所示）使得電池包保護(hù)更為強(qiáng)健。電量計具有兩層的充電/放電過電流保護(hù)設(shè)定,，而AFE則提供了第三層的放電過電流保護(hù),。在短路狀態(tài)下，MOSFET及電池可能在數(shù)秒內(nèi)毀壞,，電量計芯片集完全依靠AFE來自動的關(guān)斷MOSFET,，以免產(chǎn)生毀壞。
圖2. 多級電池過電流保護(hù)
當(dāng)電量計IC及其所關(guān)聯(lián)的AFE提供過電壓保護(hù)時,，電壓監(jiān)測的采樣特性限制了此類保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間,。絕大多數(shù)應(yīng)用要求能快速響應(yīng),，且實(shí)時、獨(dú)立的過電壓監(jiān)測器,，并與電量計,、AFE協(xié)同運(yùn)作。該監(jiān)測器獨(dú)立于電量計及AFE,，監(jiān)測每一電池單元的電壓,，并針對每一達(dá)到硬件編碼過電壓限的電池單元提供邏輯電平輸出。過電壓保護(hù)的響應(yīng)時間取決于外部延遲電容的大小,。在典型的應(yīng)用中,，秒量級保護(hù)器的輸出將觸發(fā)化學(xué)保險絲或其它失效保護(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)
對于電池管理單元來說,，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)包括了過電流的放電及充電故障狀態(tài)下的安全,、過熱的放電及充電狀態(tài)下的安全,、過電壓的故障狀態(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)檢測到任意的此類故障,，則保護(hù)設(shè)備將熔斷化學(xué)保險絲,，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)計用于檢測充電及放電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)保險絲也將熔斷,。
據(jù)報道,，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。阻抗追蹤電量計監(jiān)測開路電壓,，并從而檢測電池單元的非均衡性――當(dāng)不同電池單元的開路電壓差異超過預(yù)先設(shè)置的限定值,。當(dāng)出現(xiàn)此類失效時，將產(chǎn)生永久性失效的告警并斷開MOSFET，化學(xué)保險絲也可配置為熔斷,。上述行為將使得電池包無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)――過電壓,、過電流、過熱,、電池單元非均衡以及MOSFET失效監(jiān)測,，極大地改善了電池包的安全性。通過監(jiān)測電池單元的開環(huán)電壓,，阻抗追蹤技術(shù)可檢測電池內(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,。