提高鋰離子電池安全性的技術(shù)解決方案第一部分

三星電子在確定電池缺陷導致火災時將召回 250 萬部 Galaxy Note 7 智能手機。此次召回可能會影響智能手機供應鏈，但也會引發(fā)嚴重的安全問題。

從歷史上看，鋰離子電池在筆記本電腦、電動汽車、懸浮滑板和飛機上都出現(xiàn)過問題——最引人注目的是 2013 年的波音 787。

鋰離子電池的典型故障模式可能是電氣濫用、熱濫用和物理損壞。以下需要工程師解決以提高安全性的鋰離子儲能系統(tǒng)問題有望成為設(shè)計師的“深思熟慮”。很多文章都提到了18650系列鋰離子電池。

NASA Orion 幾乎無敵的鋰離子電池組

美國宇航局獵戶座飛船內(nèi)部的鋰離子電池，預定在 2030 年代中期載人登陸火星，是非常強大的電池架構(gòu)的一個很好的例子(盡管設(shè)計過度，在智能手機中不實用)。這種電池設(shè)計的一些特點和優(yōu)勢將有助于防止電池因擠壓等物理力而受到機械損壞，值得設(shè)計人員看看。這些鋰離子電池由 Yardney 設(shè)計和制造，也已在火星探測器上使用，并且已經(jīng)在火星上運行了近 13 年。

盡管 Yardney 的堅固設(shè)計對于智能手機來說成本太高，但一些與抗振和物理損壞保護有關(guān)的機械設(shè)計功能可能會適用于具有智能、低成本架構(gòu)的智能手機。

容錯鋰離子電池組

論文“Fault Tolerable Li-ion Battery Stack”討論了電池組中的可容錯電路拓撲和故障隔離方案。智能手機不一定有電池組，但其中一些想法可能有助于在手持設(shè)備中或至少在堆疊電池架構(gòu)中產(chǎn)生可行的安全解決方案。

此處的解決方案使用與每個電池串聯(lián)的單個 MOSFET，以便電池組通過開路或短路來容忍單個電池故障。以這種方式，可以通過額外的開關(guān)隔離故障電池，以便電池組繼續(xù)運行。感測每個 MOSFET 的漏源電壓，從而間接檢測電池的電流，以確定電池的狀態(tài)。Tesla Roadster 的每個鋰離子電池單元分別為每個端子熔斷。

故障隔離有幫助，但我們?nèi)匀恍枰幚黼姵仄鸹?，即使電池與系統(tǒng)隔離以保持系統(tǒng)運行，這些故障也會導致電池起火。2013 年有一項專利在電池外殼設(shè)計中使用微通道冷卻劑和制冷劑注入冷卻通道。對于智能手機來說，這樣的解決方案既困難又昂貴，但仍然值得深思。

試圖撲滅鋰金屬電池火災時，應使用D 類滅火器。鋰金屬中含有大量的鋰，會與水發(fā)生反應，從而使火勢惡化。鋰電池通常不可充電并含有鋰金屬——這些不是鋰離子電池。鋰離子電池不含鋰金屬，通?？沙潆姟１疚纳院髮Υ诉M行更多介紹?；蛟S防止火災蔓延的解決方案可能涉及包含小規(guī)模貨物泡沫的滅火系統(tǒng)，以將鋰離子電池包裹在智能手機和其他手機類型中。

電弧和火花檢測與預防4

對于 18 ± 1 V 左右的電壓，即鋁殼電池的陰極和陽極壓降之和，存在電弧事件的風險，并且電弧電流足以在電流斷開期間點燃電弧中斷設(shè)備 (CID) ( > 1 A)。低于此電壓還存在產(chǎn)生火花的風險，已確定鋁觸點的 11.2 V 電壓和 0.4-A 電流 (4.5 W) 也足以點燃。盡管與電弧事件相比，火花產(chǎn)生的風險要小得多，但仍需要加以解決和預防。

電弧通常不會出現(xiàn)在智能手機中，但會因機械損壞而產(chǎn)生火花?！凹丛O(shè)計人員如何幫助減輕甚至防止小型手持設(shè)備發(fā)生火災，以及電動汽車或其他高鋰離子電池的電壓/電流應用。

在系統(tǒng)層面，設(shè)計人員通常選擇軟件和硬件兩類冗余保護器件。借助軟件保護，系統(tǒng)可以在發(fā)生故障時通過適當?shù)膭幼鞅O(jiān)控電池系統(tǒng)特性。硬件是顯而易見的，因為行業(yè)中有許多解決方案。

美國國家運輸安全委員會(NTSB)在 2014 年進行的一項調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，波音 787 鋰離子電池中存在電弧現(xiàn)象，導致電池起火。

減輕電弧的一些可能的解決方案是： 用于電弧中可聽噪聲的聲學檢測器;用于電弧產(chǎn)生的高溫的熱探測器;電壓檢測，一種用于檢測電弧所表現(xiàn)出的強光的光學檢測器;和一個電弧故障斷路器。您希望在出現(xiàn)電弧或火花事件的第一個跡象時向系統(tǒng)發(fā)送信號。德州儀器 (Texas Instruments) 有一個非常漂亮的直流電弧檢測評估板，它是一個符合 UL1699B 標準的光伏電弧檢測系統(tǒng)，占位面積為 50×30 mm。