第一章 锂电池和电池组的介绍

　　充电中断设备

　　因为过度充电会导致锂离子电池热失控,许多电池设计包括内置机制来防止过度充电。

　　过度充电导致电池产生大量气体进入热失控状态。在棱柱形的外形，特别是在薄的情况下或者软包电池，电池内的气体产生，将导致电池膨胀，并可能迫使电极分开，有效的抑制离子的传输并中断充电。这个过程可以防止电池热失控但并不是总是有效的。

　　如果产生气体圆柱形电池的几何形状防止电极的分离。电池设计人员为消费型电子设备中的圆柱形电池开发了机械充电中断装置(CIDs)（图23）。激活时，机械充电中断装置本身和电池从电路断开。CIDS通常称为过充保护装置，电池内部压力超过激活限制将激活此装置。这可能包括过充电，电池过热，锂电镀后电解液击穿，内部微短路，或明显的的电池过放电。充电中断装置(CIDs)适当的设计和安装是必需的。充电中断装置(CIDs)必须与电池化学相匹配，以便在过充电条件产生足够的气体发生热失控之前激活CID。如果CID和电池化学不匹配低电流充电或者过高的电流时可能不能CID不能较早激活。

　　由于它们的设计，传统的充电中断装置可能不适用于高速率电池，比如那些在电动工具中使用的电池。因为传统的CID设计不允许非常高的电流传输。此外，充电中断装置可能不适合于的大规模并联电池。2或3个电池并联，。充电中断装置可以达到预期的作用，并且非常有效的避免电池包失效。然而，在大的并联的电池将所有CID将同时激活是不可能的，在串联引起的高过电流充电中断装置还未激活时CID激活。大电流快速应用可能导致电池在CID激活前发生热失控。

　　图23 装有充电中断装置的18650电池焊接点盖组件的横截面显示（圆）

　　正温度系数开关

　　高速率放电会引起电池温度温度升高，在某些情况下，如果隔膜损坏，可能会导致电池的热失控。聚合物正温度系数(PTC)设备，也称为复位热敏电阻器，或“聚开关”是商业电池（例如，18650的商业电池盖组件的一部分和商业电池包（放入电池组电路中的菱形电池）的组成部分。这些器件包括一个导电性的聚合物层，超过一定的阈值温度。聚合物正温度系数(PTC)设备规定的电流和温度条件下选择保持导电。然而，放电或充电电流过大，该聚合物将升温并具有高阻性，有效的降低电池的输入输出电流。PTC设备冷却后，电池恢复导电。PTC设备可能并不适用于大电流电池（例如，电动工具用电池）或电池组组成的并联的电池。

图24具有PCT装置的18650电池的盖组件的横截面显示

　　电池包电子防护

　　锂离子电池需要相对复杂的保护电路，以防止各种电气滥用情况包括过电压充电，过电流充电，过电流放电（外部短路），在可接受的温度范围外充电，过放电，和多个串联电池组的不平衡保护。联合国和各商业标准如UL，IEEE，和汽车标准（在3章讨论总结了适用的规范和标准）管理保护电子系统的最小功能要求。

　　保护电路为消费电子应用程序通常是集成到一个单一的印刷电路板,实现上面所讨论的大多数或所有的保护功能。这种PCB有时被称为包保护PCB或作为电池管理单元(BMU)。一些设备设计保护功能部分或全部转移到主机设备而不是使用一个专用的电池内PCB。电动汽车的保护电子可分为模块之间，在电池包各模块之间协调。在电动汽车社区，包保护电子系统通常被称为电池管理系统BMS。

　　用于锂离子电池的最大充电电压取决于具体的电池化学或预期的使用环境（4.2 V对许多电池化学是个典型）。防止过充的关键是充分考虑电子设备单个电池监测和串联元件（块）电压，以防止任何电池超过电压限制。另外,大多数保护电子包包括多个独立电路以终止充电,使单点失败电路不能禁用过电压保护。

　　过高的充电电流会导致锂离子电池的过充（过电流充电），或者电池内短路和外短路导致电池温度升高。大多数锂离子电池包含电子设备调节充电电流。正常的充电速率通常是它们最大允许电池充电速率的一部分：考虑到电池的老化通常提供一个安全余量。在低温下充电的锂离子电池可以导致在锂电镀，由于降低了负电极内的锂离子扩散速率。在高温下锂离子电池的充电或放电，可以增加电池内的气体产生的风险，导致膨胀，防护性装置压力触发保护装置（例如，机械充电中断装置(CIDs)），绕组或层导致的机械扰动导致的热失控。因此，锂离子电池组通常包括控制，以防止在超低或高的温度。

　　过度放电的锂离子电池可能会损坏电流集合管，并最终电极，导致电池性能受损或增加热失控的风险。因此,保护电路为防止过放电, 在某些指定的电压下可以进入低功耗睡眠模式。在某些情况下,低电压条件下,高于阈值的电流集电器的损伤,是可以忍受的。锂离子电池在这样的深放电状态可能会要求较低的充电电流,直到电池达到某个阈值电压。因此,锂离子电池通常包括控制限制充电电流,直到达到所需的电压阈值。

　　在多个电池串联的电池组，电池内个系列元素可能不均匀，导致串联电阻之间的性能不同。单独的串联元件电压检测是用来防止过充电或过放电元素。然而，严重的不平衡可以表明电池有问题，或导致高阻抗系列原件的电流损坏。因此，对于多组串联的电池组（特别是笔记本电脑）保护电路，电池不平衡严重的将永久禁用。

　　电池组外壳

　　电池组外壳可以相差很大,取决于实际应用。一些简单的电池组外壳（硬包电池），只是用一层收缩包装将电池包装在一起。笔记本电脑的电池包外壳可以是硬塑料或硬金属。如果使用硬壳电池，笔记本电脑电池包外壳可以由五面是重型塑料一面塑料框封装的外壳组成，通常是封闭的笔记本电脑本身。消费电子应用中使用的软包电池的外壳一般包括硬的金属和塑料部件（或嵌入在塑料件中的金属片），以保护软包电池免受机械损伤。然而，遥控模型飞机应用的电池外壳可能只是简单的包装在收缩包装内，大的模块的电池组的外壳目前正在开发中。注意,如果使用塑料电池外壳,在火灾发生时它可以大大有助于热释放。