锂离子电池组制造商必须制造安全可靠的产品，提供电池供电型系统使用。电池组的电池管理电子会监控锂离子电池的操作状态，包括电池阻抗、温度、电压、充电和放电电流以及充电状态，以便提供详细的剩余供电时间和电池健康信息，确保系统做出正确的电源管理决定。

另外，为了增强电池安全，只要出现电流过载、短路、个别电池或电池组电压过载或是过热等任何故障现象，电池组内与锂离子电池串联的两颗MOSFET保护开关就会切断系统与电池的联机。采用Impedance Track技术的电池管理组件会监控电池使用期间的阻抗，并且注意电池电压是否平衡，这能侦测出电池微短路(micro-short)并避免电池起火或爆炸。

锂离子电池安全性

    过高的操作温度会加速电池劣化，甚至导致锂离子电池热失控和爆炸。锂离子电池因为含有活性很高的材料，故在这方面需要特别注意，譬如短路或大电流过度充电都会导致电池温度急遽上升。锂离子电池过度充电时，阳极会沉积活性很高的金属锂，而与电解质或阴极材料等许多物质激烈反应，大幅增加锂离子电池的爆炸危险。

    举例来说，锂/碳插层化合物会与水反应释出氢气，这些氢气可能被反应过程的高温所点燃。在4.3V电池电压下，只要温度超过175℃的热失控临界值，LiCoO2等阴极材料就会与电解质起反应。

    由于聚烯烃之类的材料拥有优异的机械性质和化学稳定性，成本也在可接受范围之内，锂离子电池即利用此类材料作为微孔薄膜以隔离正负电极。聚烯烃的熔点很低，约从135℃到165℃，很适合作为温度保险丝。聚烯烃的微孔结构会在温度接近熔点时破坏，使锂离子无法在电极之间移动，进而达到切断电池的目的；另外，锂离子电池还包含1个PTC组件和安全气孔，以提供进一步保护。

    锂离子电池的外壳通常是由镀镍金属制成，多半做为电池的负极。但是在外壳密封后，金属粒子就有可能渗入电池中，并逐渐移动到隔离膜，使得阳极和阴极之间的绝缘层失效。这会在阳极和阴极之间产生微短路，并让电子在两边自由移动，最终导致电池故障。这类故障通常只会造成电池切断电力和停止工作，但有时也会使得电池过热、熔化、起火或爆炸。据说这是有些制造商近来大规模召回某些故障电池的主要原因。

电池管理单元与电池保护

    许多厂商正在开发新的电池材料，希望能提高热失控的温度临界值。另一方面，虽然电池必须通过UL1642之类严格的UL安全性测试，设计人员仍须提供正确的充电条件，并为多颗电子零件的可能故障做好准备。

系统应采用冗余保护设计，也就是在同一电池组里提供两组以上独立的保护电路或机制，即可应避免电池因为电压过载、电流过载、短路、过热和外部零件失效而出现严重的故障。最好还有电子电路侦测电池内部是否发生微短路现象，以防止电池失效。图1是电池组的电池管理单元方块图，其中包括电池计量组件、模拟前端电路和独立的第二层安全保护电路。

图1：电池管理单元

    电池计量电路是用来报告精确的锂离子电池剩余电力，其独特的算法可以实时追踪电池组的电池容量变化、电池阻抗、电压、电流、温度和其它重要信息。电池计量电路会自动把充电与放电率、自放电率和电池老化程度列入考虑，就算电池老化也提供电池计量精确度。举例来说，bq20z70、bq20z80和bq20z90就是TI采用Impedance Track专利技术的一系列电池计量组件，可在整个电池寿命期间提供1%的电池计量精确度。

    电池管理单元还利用一个热敏电阻监控锂离子电池温度，以提供电池过热保护和充电及放电限制。例如电池通常不能在温度低于0℃或高于45℃时充电，也不能在电池温度超过65℃时放电。若电池计量组件侦测到电压过载、电流过载或过热等现象，就会命令模拟前端电路关闭充电与放电MOSFET Q1和Q2；若它发现电池电压过低，则会命令模拟前端电路关闭放电MOSFET Q2，但是让充电MOSFET继续保持导通状态，使系统进行充电。

    模拟前端电路的主要功能是侦测过载或短路现象，并保护充电和放电MOSFET、电池和其它线上零件，避免它们的电流过大。过载侦测功能可侦测电池放电方向的电流过载，短路侦测则能侦测放电和充电方向的电流过载。透过电池计量组件的资料闪存，系统还能设定模拟前端电路的过载及短路保护临界值与延迟时间。

    当模拟前端电路系统发现过载或短路，并且超过预设的延迟时间时，就会将充电与放电MOSFET Q1和Q2关闭，同时将详细状况存入其状态缓存器，以便电池计量组件读取和分析故障原因。模拟前端电路是2、3或4颗锂离子电池计量芯片组解决方案的重要组件，负责提供所有的高压界面和硬件电流保护功能。它有一组I2C兼容接口，电池计量组件可透过该界面存取模拟前端电路的缓存器和设定其保护功能。

    模拟前端组件还包含电池平衡控制功能，这是因为在多颗电池构成的电池组中，个别电池的充电状态在许多情形下会出现差异，使得它们的电压各有不同而导致电池不平衡。模拟前端电路为了解决这个问题，会替每个电池提供一条旁通路径，可用来减少任何一个电池的充电电流，确保这些电池在充电过程维持平衡的充电状态。Impedance Track电池计量组件可以侦测每个电池的化学充电状态，故能在需要电池平衡时正确设定这些旁通路径。

    要提供更安全可靠的电池组保护功能，可如图2所示采用多种电流过载临界值和不同的激活时间。电池计量组件有两层的充电/放电电流过载保护设定值，模拟前端电路则提供第三层放电电流过载保护。如果发生短路，MOSFET与电池可能在数秒内损坏，因此电池计量芯片组必须靠着模拟前端电路在这类故障发生时，自动切断MOSFET。

图2：多层次的电池电流过载保护

    电池计量组件和相关的模拟前端电路虽能提供电压过载保护，但它们仍须透过取样才能监控电压，因此整个保护系统的反应时间会受到限制。为解决这个问题，多数应用需要反应快速、实时和独立的电压过载监控器，并让它与电池计量及模拟前端电路一起工作。

    这个监控器会独立监视各个电池电压，并在电压值达到硬件设定的电压过载临界值时，切换逻辑输出位准状态，电压过载保护的反应时间则由外接延迟电容器的电容值决定。在多数应用里，第二层保护电路的输出会触发化学保险丝或其它的故障安全保护装置，进而将锂离子电池与系统的联机永久切断。

电池组永久故障保护

    电池管理单元须以谨慎安全的方式因应异常状况，并在必要时立即切断电池组。电池组可能遇到许多不同的永久性故障，包括充电与放电电流过载、充电与放电过热、电池组电压过载、电池不平衡、以及放电FET和充电MOSFET短路等故障，制造商必须决定要提供前述的那些永久故障侦测功能。

    电池管理单元侦测到前述任何一种故障时，就会烧断化学保险丝让电池组停止工作。为了进一步预防电子零件故障，电池管理单元还能侦测充电与放电MOSFET Q1和Q2是否失效；如果充电或放电MOSFET短路，它也会烧断化学保险丝。

    据说在最近几次的大规模电池召回行动中，电池内部微短路都是主要的故障原因。设计人员要如何侦测电池内部的微短路，并防止电池起火或爆炸？当电池外壳密封过程产生的金属微粒或其它杂质渗入电池时，就可能造成电池内部出现微短路。内部微短路会大幅增加自放电率，使电池的开路电压低于正常电池。

    Impedance Track电池计量组件会监控开路电压，并在不同电池的开路电压差异超过临界值时，侦测出这种电池不平衡的现象。当这种故障现象发生时，计量组件会产生一个永久故障讯号并切断MOSFET，有些设计还会将化学保险丝烧断。这使电池组无法再做为电源，同时将电池组与发生内部微短路的电池完全隔离，避免它造成任何损害。

结语

    电池管理单元对于使用者的安全很重要，它应提供多种层次和强大可靠的电压过载、电流过载、过热和电池不平衡保护以及MOSFET故障侦测功能，这样才能大幅提高电池组的安全性。Impedance Track技术可以监控电池开路电压，然后根据该电压判断电池内部是否出现微短路，并在必要时永久切断电池工作，让使用者获得更完善的安全保护。

作者：德州仪器 Jinrong Qian、Sihua Wen