提高锂离子电池安全性的技术解决方案第一部分

三星电子在确定电池缺陷导致火灾时将召回 250 万部 Galaxy Note 7 智能手机。此次召回可能会影响智能手机供应链，但也会引发严重的安全问题。

从历史上看，锂离子电池在笔记本电脑、电动汽车、悬浮滑板和飞机上都出现过问题——最引人注目的是 2013 年的波音 787。

锂离子电池的典型故障模式可能是电气滥用、热滥用和物理损坏。以下需要工程师解决以提高安全性的锂离子储能系统问题有望成为设计师的“深思熟虑”。很多文章都提到了18650系列锂离子电池。

NASA Orion 几乎无敌的锂离子电池组

美国宇航局猎户座飞船内部的锂离子电池，预定在 2030 年代中期载人登陆火星，是非常强大的电池架构的一个很好的例子(尽管设计过度，在智能手机中不实用)。这种电池设计的一些特点和优势将有助于防止电池因挤压等物理力而受到机械损坏，值得设计人员看看。这些锂离子电池由 Yardney 设计和制造，也已在火星探测器上使用，并且已经在火星上运行了近 13 年。

尽管 Yardney 的坚固设计对于智能手机来说成本太高，但一些与抗振和物理损坏保护有关的机械设计功能可能会适用于具有智能、低成本架构的智能手机。

容错锂离子电池组

论文“Fault Tolerable Li-ion Battery Stack”讨论了电池组中的可容错电路拓扑和故障隔离方案。智能手机不一定有电池组，但其中一些想法可能有助于在手持设备中或至少在堆叠电池架构中产生可行的安全解决方案。

此处的解决方案使用与每个电池串联的单个 MOSFET，以便电池组通过开路或短路来容忍单个电池故障。以这种方式，可以通过额外的开关隔离故障电池，以便电池组继续运行。感测每个 MOSFET 的漏源电压，从而间接检测电池的电流，以确定电池的状态。Tesla Roadster 的每个锂离子电池单元分别为每个端子熔断。

故障隔离有帮助，但我们仍然需要处理电池起火，即使电池与系统隔离以保持系统运行，这些故障也会导致电池起火。2013 年有一项专利在电池外壳设计中使用微通道冷却剂和制冷剂注入冷却通道。对于智能手机来说，这样的解决方案既困难又昂贵，但仍然值得深思。

试图扑灭锂金属电池火灾时，应使用D 类灭火器。锂金属中含有大量的锂，会与水发生反应，从而使火势恶化。锂电池通常不可充电并含有锂金属——这些不是锂离子电池。锂离子电池不含锂金属，通常可充电。本文稍后将对此进行更多介绍。或许防止火灾蔓延的解决方案可能涉及包含小规模货物泡沫的灭火系统，以将锂离子电池包裹在智能手机和其他手机类型中。

电弧和火花检测与预防4

对于 18 ± 1 V 左右的电压，即铝壳电池的阴极和阳极压降之和，存在电弧事件的风险，并且电弧电流足以在电流断开期间点燃电弧中断设备 (CID) ( > 1 A)。低于此电压还存在产生火花的风险，已确定铝触点的 11.2 V 电压和 0.4-A 电流 (4.5 W) 也足以点燃。尽管与电弧事件相比，火花产生的风险要小得多，但仍需要加以解决和预防。

电弧通常不会出现在智能手机中，但会因机械损坏而产生火花。“即设计人员如何帮助减轻甚至防止小型手持设备发生火灾，以及电动汽车或其他高锂离子电池的电压/电流应用。

在系统层面，设计人员通常选择软件和硬件两类冗余保护器件。借助软件保护，系统可以在发生故障时通过适当的动作监控电池系统特性。硬件是显而易见的，因为行业中有许多解决方案。

美国国家运输安全委员会(NTSB)在 2014 年进行的一项调查中发现，波音 787 锂离子电池中存在电弧现象，导致电池起火。

减轻电弧的一些可能的解决方案是： 用于电弧中可听噪声的声学检测器;用于电弧产生的高温的热探测器;电压检测，一种用于检测电弧所表现出的强光的光学检测器;和一个电弧故障断路器。您希望在出现电弧或火花事件的第一个迹象时向系统发送信号。德州仪器 (Texas Instruments) 有一个非常漂亮的直流电弧检测评估板，它是一个符合 UL1699B 标准的光伏电弧检测系统，占位面积为 50×30 mm。