目前，鋰離子電池發(fā)生的安全事故大多數(shù)都是由于保護(hù)電路失效，引起電池?zé)崾Э兀瑢?dǎo)致起火爆炸。因此要實(shí)現(xiàn)鋰電池的安全應(yīng)用，對其保護(hù)設(shè)計(jì)尤為重要，要考慮各種引起鋰電池失效的因素。除生產(chǎn)工藝引起的失效外，其他基本都是由于外界極端條件變化引起的，如過充、過放、高溫等因素。如果實(shí)時(shí)監(jiān)測好這些參數(shù)，當(dāng)這些參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，做好相應(yīng)防護(hù)措施，就可以避免熱失控的發(fā)生。鋰電池的安全設(shè)計(jì)包含以及幾點(diǎn)：電芯選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、BMS的功能安全設(shè)計(jì)。

電芯選擇

影響電芯安全的因素很多，電芯材料的選擇是電池安全的基礎(chǔ)。由于化學(xué)特性不同，鋰電池的不同正極材料安全性差異較大。比如磷酸鐵鋰是橄欖石狀結(jié)構(gòu)，較為穩(wěn)定不容易坍塌；而鈷酸鋰與三元鋰則是層狀結(jié)構(gòu)，容易崩塌。隔膜的選擇也至關(guān)重要，隔膜性能直接與電芯內(nèi)的安全性相關(guān)。所以在選擇電芯時(shí)，不僅只是簡單看檢測報(bào)告，更要看廠家生產(chǎn)工藝及材料參數(shù)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮絕緣、散熱的要求。

• 絕緣要求一般要考慮以下幾個(gè)方面：正極與負(fù)極之間的絕緣；電芯與外殼之間的絕緣；極耳與外殼之間的絕緣；PCB的電氣間隙與爬電距離，內(nèi)部布線設(shè)計(jì)，接地設(shè)計(jì)等。

• 散熱的要求主要針對一些大型儲能或動(dòng)力用電池。由于電池能量較高，充放電時(shí)候發(fā)熱量巨大，若不能及時(shí)排出熱量，導(dǎo)致堆積則容易發(fā)生安全事故。所以外殼材料的選擇與設(shè)計(jì)（要有一定的機(jī)械強(qiáng)度與防塵防水要求），冷卻系統(tǒng)的選擇以及內(nèi)部其他隔熱，散熱滅火系統(tǒng)需要考慮在內(nèi)。

關(guān)于電池散熱系統(tǒng)的選擇與應(yīng)用可以參考往期月刊

功能安全設(shè)計(jì)

鋰電池在充電和放電的過程中，自身材料的理化特性不能限制充放電電壓。而一旦充放電電壓超出額定范圍，將會對鋰電池造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，因此就需要外加鋰電池保護(hù)電路來使鋰電池工作時(shí)內(nèi)部電芯的電壓和電流維持在正常的狀態(tài)。對于電池的BMS來說需要有如下功能：

• 過壓充電保護(hù)：過充是導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐闹饕蛑?。過充后的正極材料由于過度鋰離子脫出會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌，而負(fù)極也會有析鋰現(xiàn)象導(dǎo)致熱穩(wěn)定性下降、副反應(yīng)增多，具有潛在熱失控危險(xiǎn)。所以在充電達(dá)到電芯的上限電壓以后及時(shí)切斷電流尤為重要。這就要求BMS有過壓充電保護(hù)功能，讓電芯的電壓時(shí)刻保持在其工作限值內(nèi)。最好避免保護(hù)電壓是一個(gè)范圍值，且變化范圍大。這會導(dǎo)致電池在充滿電時(shí)無法及時(shí)切斷電流，導(dǎo)致過充。一般會將BMS的保護(hù)電壓值設(shè)計(jì)成與電芯上限電壓值相同或略低。

• 過流充電保護(hù)：用超過充放電限值的電流對電池進(jìn)行充電會導(dǎo)致熱量堆積，當(dāng)熱量堆積到能融化隔膜時(shí)，就會導(dǎo)致內(nèi)短路。所以及時(shí)的過流充電保護(hù)也是也是必不可少的。在設(shè)計(jì)時(shí)還需要注意保護(hù)電路的過流保護(hù)值不要高于電芯的耐受電流。

• 欠壓放電保護(hù)：電壓過大過小都會損害電池性能。持續(xù)的欠壓放電會導(dǎo)致負(fù)極銅材料析出，負(fù)極坍塌。所以一般電池也會有欠壓放電保護(hù)功能。

• 過流放電保護(hù)：大部分的保護(hù)板充放電是通過同一個(gè)接口進(jìn)行的，此時(shí)充放電的保護(hù)電流是一致的。但是有的電池，特別是電動(dòng)工具，快充等類型電池需要用到大電流放電或大電流充電，此時(shí)充放電電流不一致，所以最好充放電是兩個(gè)回路控制。

• 短路保護(hù)：電池的短路也是電池最易出現(xiàn)的故障之一。一些碰撞，誤用，擠壓針刺，進(jìn)水等都容易誘發(fā)短路。短路會瞬間會產(chǎn)生大電流放電，引發(fā)電池溫度急劇上升。同時(shí)，發(fā)生外部短路后通常在電芯內(nèi)部也會發(fā)生一系列電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)一系列放熱反應(yīng)。短路保護(hù)其實(shí)也是過流保護(hù)的一種，但是短路的電流會無限大，產(chǎn)生的熱與危害也是無限大，所以保護(hù)必須要很靈敏，自動(dòng)觸發(fā)。常用的短路保護(hù)措施有接觸器，熔斷器，F(xiàn)use和MOS等。

• 過溫保護(hù)：電池對環(huán)境溫度積極敏感，溫度過高或過低都會影響其性能。所以讓電池始終在限值溫度內(nèi)工作尤為重要。BMS應(yīng)該具有溫度保護(hù)功能，在溫度過高或過低時(shí)及時(shí)停止電池工作。甚至還可以細(xì)分為充電溫度保護(hù)/放電溫度保護(hù)等。

• 均衡功能：對于筆記本等多串電芯電池，由于生產(chǎn)過程中存在差異，電芯之間存在不一致性，如有的電芯內(nèi)阻較大。這種不一致性會隨著時(shí)間的推移，外界環(huán)境的影響而逐漸惡化。所以需要有均衡管理功能對電芯實(shí)施均衡。一般有兩種均衡方式：

1.?被動(dòng)均衡：使用硬件，比如電壓比較器，再用電阻散熱的方式將高容量電池多出的電量釋放。但能耗較大，均衡速度慢，效率低。

2.?主動(dòng)均衡：主要通過電容存儲電壓較高的電芯電量，再釋放給電壓較低的電芯，但當(dāng)相鄰電芯壓差小時(shí)，均衡時(shí)間長，可以更靈活設(shè)置均衡的電壓閾值。

標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證

最后，如果電池產(chǎn)品要順利進(jìn)入國際/國內(nèi)市場，還需要滿足對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測試，才能保證鋰電池的應(yīng)用安全。從電芯到電池，再到最后的整機(jī)都有對應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)。本文將重點(diǎn)介紹國內(nèi)電子信息類產(chǎn)品對于電池保護(hù)的要求。

GB 31241-2022

此標(biāo)準(zhǔn)為便攜式電子設(shè)備電池的標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)對于保護(hù)的考慮主要在5.2安全工作參數(shù)，10.1~10.5電池組保護(hù)電路安全要求，11.1~11.5系統(tǒng)保護(hù)電路安全要求（當(dāng)電池自身不帶保護(hù)情況下使用），12.1和12.2一致性型式試驗(yàn)，以及附錄A（資料性）?。

• 5.2 的要求為電池和電芯參數(shù)的匹配性要求，可以理解為電池的工作參數(shù)不應(yīng)超過內(nèi)部電芯的參數(shù)范圍；但電池的保護(hù)參數(shù)是否需要確保電池的工作參數(shù)不超過電芯給出的工作范圍？目前會有不同的理解，但從電池的設(shè)計(jì)安全角度考慮，保護(hù)參數(shù)是應(yīng)確保電池的工作參數(shù)不應(yīng)超過電芯的范圍，如，電芯的最大充電電流為3000mA，電池的最大工作電流應(yīng)不超過3000mA，電池的保護(hù)電流也應(yīng)確保在充電過程中電流不會超過3000mA，這樣才能做到有效保護(hù)，避免危害。對于保護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)示例可以參考附錄A，附錄A同時(shí)考慮了電芯-電池-終端設(shè)備使用時(shí)候的參數(shù)設(shè)計(jì)，較為全面。

• 對于自身帶有保護(hù)電路的電池需要進(jìn)行10.1~10.5電池組保護(hù)電路安全試驗(yàn)。此章主要考察過壓充電保護(hù)、過流充電保護(hù)、欠壓放電保護(hù)、過流放電保護(hù)與短路保護(hù)。這些在上述“功能安全設(shè)計(jì)”中都有提到，屬于功能安全設(shè)計(jì)的基本要求。GB 31241中會考察這些功能動(dòng)作500次。

• 如果自身不帶保護(hù)電路的電池，由其充電器或者設(shè)備保護(hù)，則要進(jìn)行11.1~11.5系統(tǒng)保護(hù)電路安全試驗(yàn)，需要外接保護(hù)裝置一起進(jìn)行測試。主要考察充/放電電壓控制、充/放電電流控制、充放電溫度控制這幾項(xiàng)。值得注意的是，對比自身帶保護(hù)電路的電池，不帶保護(hù)電路的電池在實(shí)際使用時(shí)只能依靠設(shè)備的保護(hù)，危險(xiǎn)性較高，所以在標(biāo)準(zhǔn)測試的時(shí)候會在正常工作與單故障條件下分別測試。這就強(qiáng)制終端設(shè)備必須有雙重保護(hù)，否則是通過不了11章節(jié)的試驗(yàn)。

• 最后，如果電池里面有多串電芯，則還需要考慮不平衡充電的現(xiàn)象。需要進(jìn)項(xiàng)12章的一致性試驗(yàn)。這里主要考察保護(hù)板的均衡功能、壓差保護(hù)更能。對于單電芯電池則不需要此功能。

GB 4943.1-2022

此標(biāo)準(zhǔn)是音視頻類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。隨著使用電池供電的電子產(chǎn)品日益增多，新版GB 4943.1-2022在附錄 M中對電池給出了具體的要求，評估帶有電池組及其保護(hù)電路的設(shè)備。在對電池組保護(hù)電路進(jìn)行評估的基礎(chǔ)上，也增加了對包含二次鋰電池組的設(shè)備的附加安全防護(hù)要求。

u?對于二次鋰電池保護(hù)電路主要考察過充電、過放電、反向充電、充電安全防護(hù)（溫度）、短路防護(hù)等。需要注意的是這些試驗(yàn)都需要對保護(hù)電路進(jìn)行單一故障。而此要求在電池標(biāo)準(zhǔn)GB 31241里并沒有被提及。所以在設(shè)計(jì)電池保護(hù)功能的時(shí)候還需要結(jié)合電池與終端的標(biāo)準(zhǔn)要求。如果電池組只有一重保護(hù)，且無冗余器件，或者電池組沒有保護(hù)電路，保護(hù)電路僅由設(shè)備提供，則應(yīng)該帶整機(jī)進(jìn)行此部分測試。

總結(jié)

總的來說，要設(shè)計(jì)一款安全的電池，除了本身材料的選擇，后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能安全設(shè)計(jì)同樣重要。雖然不同的標(biāo)準(zhǔn)對于產(chǎn)品有不同的要求，但如果能全面考慮電池設(shè)計(jì)的安全性，滿足不同市場的要求，則可以大大減少認(rèn)證周期，加速產(chǎn)品進(jìn)入市場。除了結(jié)合不同國家、地區(qū)的法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，還需要結(jié)合電池在終端產(chǎn)品中的實(shí)際使用情況來設(shè)計(jì)產(chǎn)品。