摘要：為了解決卷繞式功率型鋰亞電池的安全性問題，采用電源綜合管理的思路通過在電池上加裝智能邏輯電路，從而使電池同時具有防止短路、防止電流過大、防止電池過放電和防止電池被充電的綜合保護能力，而且響應(yīng)時間均在1秒鐘以內(nèi)，與響應(yīng)時間慢和功能單一的FIE和FUSE保護方案相比，這種Safe-Plus電池具有更高的安全性和可靠性。   

    目前在智能水表、熱表、氣表以及通訊等裝置上都使用卷繞式的功率型鋰／亞硫酰氯電池作為電源。卷繞式電池由于具有持續(xù)大電流高功率輸出能力和較好的電流脈沖能力，但是在儲存、運輸和使用過程中的危險性很大，特別是在電池短路、過放電、瞬時電流過大和溫度過高等情況下有爆炸的可能，其安全問題一直是生產(chǎn)者、銷售者和使用者擔(dān)心的主要問題，但是這個問題長期以來一直沒有得到很好的解決。

    在解決功率型鋰亞硫酰氯電池的安全性問題時，目前主要采用的方法是在電池上加裝FTC或者FUSE熔斷器，但是這些措施都僅僅只能防止電池短路，功能單一，沒有對電池進行電源綜合管理的功能，而且FUSE還具有不可恢復(fù)性。所以雖然加裝了這些保護裝置，功率型鋰電池潛在的安全隱患仍然很大。

    惠州億緯電源科技有限公司采用電源管理的方案，通過使用智能邏輯電路模塊對功率型鋰電池進行綜合管理和保護，在其EVE(Energy VeryEndure)晶牌的Safe-Plus功率型電池的安全保護上取得了成功，并已取得國家發(fā)明專利(200510032624．2)和實用新型專利(200520053300．2)。

    鋰亞功率型電池與容量型的鋰亞

  電池相比具有脈沖能力高，持續(xù)大電流工作能力強，滯后現(xiàn)象不明顯等優(yōu)點，但是其安全問題是最大隱患，主要的隱患包括電池在短路或者輸出電流過大(大于電池本身所能承受的最大電流)、過放電(當(dāng)電池電量已近用完，負載電壓已經(jīng)迅速低至2．0V以下，但是外電路仍然處于接通狀態(tài)持續(xù)放電)、外電路對電池強制充電(針對不同型號的電池所能承受的

電流、電壓也不同)等情況下存在爆炸的可能。

圖1  SafePlus電池的基本結(jié)構(gòu)圖

    在圖1中列出了管理控制電路最基本的功能模塊，各個模塊的功能和作用見表1，根據(jù)電源使用的需要和電池組合的需要，可以設(shè)計各種不同的技術(shù)方案，從而實現(xiàn)符合應(yīng)用要求的各種綜合保護和管理功能。在這些模塊中，可以按照要求寫入邏輯判斷與控制管理的程序，從而實現(xiàn)電池保護的智能化。這些模塊和功能元器件均是可恢復(fù)性的，所以整個保護電路具有可恢復(fù)性的功能，一旦隱患解除，電池即可在很短的時間內(nèi)恢復(fù)供電，響應(yīng)時間一般在幾十毫秒左右。

表1 Safe-Plus電池典型邏輯保護線路模塊的功能簡介

 

2．1  電池短路或者輸出電流過大時，各種保護方案的效果

2．1．1  不加任何保護裝置   

    對于鋰亞功率型電池如果不增設(shè)任何保護裝置時進行短路就有可能發(fā)生爆炸。圖2是ERl4505M電池在沒有任何保護裝置的情況下進行短路，測得的時間一電池溫度曲線(上)、時間一電池短路電流曲線(下)。當(dāng)電池短路后，電池溫度在180秒內(nèi)升高到100℃以上，最終發(fā)生了爆炸。

            

圖2沒有任何保護裝置的ERl4505M電池的短路曲線

2．1．2  加FUSE或PTC

    功率型電池安裝FUSE后在電池短路或者輸出電流過大的情況下，由于FUSE很快熔斷，電池的對外電路被切斷，電流自然為零，可見安裝FUSE的電池可以起到短路保護的作用。但是外電路的異常情況(如短路)解除以后，電池?zé)o法再恢復(fù)對外供電。

    功率型電池安裝PTC后在電池短路或者輸出電流過大的情況下，由于PTC的電阻增大起到了限流作用，電池的溫度不會大幅度升高至危險狀態(tài)。圖3是安裝了PTC的ERl4505M電池發(fā)生短路時所記錄的時間一電池溫度曲線、時間一電池短路電流曲線。從圖3中可以看出電池溫度曲線的最高溫度沒有超過60℃，而且在短路不長的時間里(160秒左右)電流就被鉗制在一個很低的地方?？梢姲惭bPTC的電池可以起到短路保護的作用。當(dāng)電池的異常情況(如短路)解除以后，PTC再次回到常溫，電池恢復(fù)對外供電。

2．1．3使用本方案的智能保護電路

          

圖3  安裝PTC保護裝置的ERl4505M電池的短路曲線

    圖4是ERl4505M型Safe-Plus電池在短路情況下的時間與Safe-Plus電池輸出電壓之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，Safe-Plus電池在電池短路或者輸出電流過大的情況下，電池的控制模塊可以在極短時間內(nèi)迅速切斷電路，電壓迅速降低為零，從而起到短路保護的

作用。在-40℃~85℃下短路保護動作時間在lms以內(nèi)，輸出電流過大保護動作時間在4ms以內(nèi)。如果電池短路解除，電池1秒之內(nèi)迅速恢復(fù)對外供電。在圖4中可以看出，連續(xù)進行的兩次短路試驗，均得到相同結(jié)果，從而證明電池的具有很好的短路恢復(fù)能力。

綜上所述這些試驗結(jié)果表明，與在功率型鋰亞電池上加裝PTC、FUSE等保護方案相比，Safe-Plus電池可以起到更好地防止短路或者是，電流突然增大的作用。FUSE保護方案的電池在短路后不能自動恢復(fù)，只能是一次性使用；PTC保護方案的電池響應(yīng)時間接近100秒，仍然會使電池溫升接近60℃，而且在短路不解除的情況下，電池始終會有一個放電過程(約100mA)最后可能會導(dǎo)致電池過放電；Safe-Plus電池可以在1秒之內(nèi)響應(yīng)短路信號，控制電池作出開／關(guān)動作。可見在這些方案中，Safe-Plus電池在防止短路或者是電流突然過大時效果是最好的。  

         圖4  Safe-Plus電池在短路情況下的時間—輸出電壓之間的關(guān)系曲線

2．2  電池過放電時，各種保護方案的效果

對于鋰亞功率型電池，如果過放電使得電池電壓低于2．0V時電池就有爆炸的危險。但是在電池上安裝FUSE與PTC根本具有過放電保護的功能。

    Safe-Plus電池在偵測到電池的負載電壓小于規(guī)定值時，就被認為處于過放狀態(tài)，由Safe-Plus線路板的開關(guān)電路控制電池的對外電路被迅速(1秒之內(nèi))切斷。在我公司的設(shè)計中，圖5是將過放電壓設(shè)置在2．3V左右，當(dāng)電池的負載電壓達到過放電壓時，Safe-Plus電池對電路的控制曲線，從圖中可以看出一旦電池達到2．3V時，Safe-Plus電池板迅速關(guān)斷外電流，使得電池不再有對外的輸出，也就不會再繼續(xù)放電從而達到了對電池過放電情況的控制。

 

圖5 達到過放電壓設(shè)置時Safe-Plus電池的關(guān)斷效應(yīng)圖

2．3  電池被反充電時，各種保護方案的效果

    對于鋰亞功率型電池，如果由于意外情況出現(xiàn)外電路對電池強制充電(針對不同型號的電池所能承受的電流、電壓也不同)也有可能引起潛在的危險?？梢灾涝陔姵厣习惭bFUSE與PTC根本不含有防止意外充電的保護功能。

   Safe-Plus電池在偵測到電池受到外電流的強制充電時，由Safe-Plus電池的線路板的開關(guān)電路控制電池的對外電路被迅速(1秒之內(nèi))切斷。在我公司的設(shè)計中，將過充電壓設(shè)置在4．3V左右。圖6是當(dāng)ERl4505M電池受到強制充電時，Safe-Plus電池線路板對電流的控制曲線。具體是，第一步電池先20mA恒流放電；第二步電池以3．6V，100mA對電池充電；第三步電池以4．3V，100mA充電。從圖6中可以看出第二步電池開始充電后，由于本電池是滿容量的一次鋰電池，所以充電電流在5秒內(nèi)就變得很小10mA，在第三步充電電壓達到4．3V時，Safe-Plus線路板迅速關(guān)斷外電路，電流降低為0．1mA，使得電池不再有被充電的可能。

圖6 達到防止反充電電壓設(shè)置時Safe-Plus的關(guān)斷效應(yīng)圖

    綜上所述，四種功率型電池的典型保護方案的性能比較如見表2。通過表2我們可以看出Safe-Plus電池的安全性明顯優(yōu)于其他各類電池。

表 2 四種功率型電池的安全性對比

3  結(jié)  論

    采用電源綜合管理的方案通過智能保護電路設(shè)計的Safe-Plus電池，同時具有短路保護、過流保護、過放電保護和防止充電的功能，并能依據(jù)用戶的要求對各種保護性能進行組合和優(yōu)化改進，例如對于組合電池可以增加旁路功能等。對比現(xiàn)有功率型電池的PTC或者是FUSE保護方案具有保護功能多、響應(yīng)時間快、保護參數(shù)可調(diào)、保護徹底、綜合性價比高等特點，從而比PTC和FUSE方案具有更高的安全性和可靠性。