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简要介绍锂电池,锂电池安全案例分析

电子工程师时间 2018-11-10 11:07 次阅读

早期的个人电子设备因为功耗较小多采用干电池供电,伴随着手机、平板电脑等手持设备的普及,能量密度比较高的锂离子电池逐渐走进千家万户。近年来电动车、无人机等大量商品化,更大大尺寸及更高能量密度的锂电池得到广泛应用。在享受科技进步带来的方便和可乐的同时,你可曾意识到天天伴随你左右的很多产品,随时随地可能变身夺命杀手,给个人、家庭和社会造成巨大损失?媒体上不时爆出因充电宝、电动车自爆自燃酿成火灾事故或人身伤害,而举世震惊的三星手机爆炸起火案几乎将三星公司多年积累的品牌形象一举摧毁,至今影响尚未完全消除。

图1:  三星手机爆炸起火图

而很多触目惊心的电子设备爆炸起火的根本原因,都和锂电池质量缺陷有关。锂电池的的使用涉及人命关天的大事,需要电子工程师在设计阶段高度重视。

简要介绍锂电池

通常说的锂电池也称为锂离子聚合物电池,因储存和释放电荷主要靠封装在电池内部的含金属锂离子的电解液而得名,锂的化学活性极强,单位储能密度远大于普通的干电池或传统的铅锌电池。但是含锂离子的电解液遇到空气极易发生燃烧,如果燃烧过于剧烈或是发生在密闭空间就可能导致爆炸。完整的锂电池一般由三部分组成,第一部分是电芯,第二部分是电池保护板,另外是电池外壳。三者之间紧密相连,共同决定电池的品质和应用安全。

锂电池的电芯是电池的核心部件,是决定电池品质的最根本因素,对技术、生产流程管控及原材料品质要求极高。电子工程师根据产品设计要求,提供外形尺寸、电压容量等技术指标给电芯厂家,电芯厂商按照客户需求进行电芯设计,规格书经双方确认后开始正式生产。经过备料、开模、下料、叠片、灌装、密封、测试、老化等几十到道繁杂工艺,最终生产出一个个单电芯,再根据电压和容量要求组合成单芯、两串、多串等最终成品。

锂电池安全案例分析

电池保护功能板是根据电芯特性设计的一块独立电路板,主要起限制电芯的充放电电流和电压,过充过放过温时保护电芯不受损坏或爆炸起火等作用。一般大型的电芯厂商有能力设计保护板,而技术实力不足的电芯厂商多依赖客户或保护板设计公司提供相应的保护板。

电芯和保护板需要装进电池盒内才能成为真正意义上的电池,一种方式是直接内置在产品内部,还有很多是独立封装为一个电池盒,然后作为一个整体部件直接安装固定在产品上。图2是发生烧焦冒烟轻微事故产品的电池盒拆解图。

图2:电池盒拆解图

该电池为两个电芯串联形式,即图中左右两个银色模块。两个电芯的中间是电池保护功能板,左边电芯下边是电池盒。从图上可以明显看到右边的电池电芯已严重起鼓,中间的电池保护板上有明显的烧焦痕迹,因为保护板发挥了作用,在存在质量问题的电芯发生漏液爆炸冒烟起火前及时切断了充电电路,从而避免了可能导致的严重事故。

在另一起电子产品自燃事故中,经过分析排查,着火是由设备配置的锂电池自燃导致,自燃后的电池残片如图3所示。

图3:  自燃后的电池残片

进一步追查发现,电芯厂商产品品质管控不严,电芯本身存在安全隐患;电池保护板相关参数设置不合理,特别是过充过放电流设置过大,无过热保护功能,导致有隐患的电芯充放电时过热起鼓,保护电路不能及时切断电路,最终导致电芯破裂,电解液大面积流出,遇到空气后冒烟起火。

锂电池安全设计

国家对于锂电池以及电芯有着严格的认证要求,如下列文件均为强制性条款:

GB 31241-2014  便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求;

GB/T 18287-2013  移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范;

另外UL1642“ 锂电池标准”也有很多关于安规方面的要求。

这些安全性测试项目均要测试以下项目:

1、过充电;

2、强制放电;

3、短路测试;

4、热滥用;

5、针刺(允许漏液);

6、挤压;

测试通过的最基本要求是电池组不起火、不爆炸!!

但是现实却很残酷,除部分技术实力强的大公司产品能完全满足以上全部要求外,很多电池厂商根本不敢保证大批量出货的电芯能够通过热滥用和针刺挤压等几项较苛刻测试要求。而质量有保证的大品牌和一般的品牌之间同等容量和规格的电芯价格通常能差50%以上,很多公司就宁愿选择存在很大安全隐患的低成本电芯。

另外像无人机等需要电池瞬间超高倍率放电能力导致保护板设计困难,或是考虑加上保护板的自身成本问题,有些无良企业就会不加保护板或是不加热保护功能,或是随意改变保护阈值等,导致保护板的功能丧失或部分失效,一旦遇到不合格的电芯或是极端使用条件,极易晾成大祸。

产品一旦发生自燃或爆炸给公司带来巨大影响,强烈建议电子工程师在设计锂电池时遵循以下原则:

1、优先选择质量可靠、工艺管控严格、测试流程规范,特别是能够书面承诺,大批量供货的产品也能通过UL认证安规测试的大品牌电芯;有实力的电芯厂商会从一开始就非常注重

2、根据产品的工作条件和要求,精心计算并设置电池保护板各种参数,特别是过充、过放、过电流、短路保护等;

3、务必要增加过热保护电路并留出裕量;

4、有条件的尽可能选择带总线通信的智能保护板,可以通过实时监控电芯的状态及早预警和处理,大大增加安全性,当然智能保护板的成本也要远高于不带通信功能的普通保护板。     

5、重视电池盒的设计,需要考虑电芯和保护板的安装固定、必要的形变空间,足够光滑的表面,因为任何电芯在反复充放电过程中俊辉产生形变,而电池盒内的毛刺可能会刺穿电芯表面,从而导致漏液等,而且这类问题电池保护板是无法起到保护作用的。

6、采用具有一定保护功能的充电器,在内置的电池保护板失效的情况下部分起到防护作用。

结束语:

锂电池的安全应用涉及千家万户的生命和财产安全,但同时由于锂电池的价格较高,导致了很多公司不愿选择性能好但价格高的电池。这个矛盾是摆在所有相关电子工程师面前的一道难题,需要得到公司高层的理解和支持才能从根本上解决问题。

原文标题:遵循这六个设计原则,锂电池再也不炸了

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