三星電子在確定電池缺陷導(dǎo)致火災(zāi)時(shí)將召回 250 萬(wàn)部 Galaxy Note 7 智能手機(jī)。此次召回可能會(huì)影響智能手機(jī)供應(yīng)鏈，但也會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全問(wèn)題。

從歷史上看，鋰離子電池在筆記本電腦、電動(dòng)汽車(chē)、懸浮滑板和飛機(jī)上都出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題——最引人注目的是 2013 年的波音 787。

鋰離子電池的典型故障模式可能是電氣濫用、熱濫用和物理?yè)p壞。以下需要工程師解決以提高安全性的鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)問(wèn)題有望成為設(shè)計(jì)師的“深思熟慮”。很多文章都提到了18650系列鋰離子電池。

NASA Orion 幾乎無(wú)敵的鋰離子電池組

美國(guó)宇航局獵戶座飛船內(nèi)部的鋰離子電池，預(yù)定在 2030 年代中期載人登陸火星，是非常強(qiáng)大的電池架構(gòu)的一個(gè)很好的例子(盡管設(shè)計(jì)過(guò)度，在智能手機(jī)中不實(shí)用)。這種電池設(shè)計(jì)的一些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)將有助于防止電池因擠壓等物理力而受到機(jī)械損壞，值得設(shè)計(jì)人員看看。這些鋰離子電池由 Yardney 設(shè)計(jì)和制造，也已在火星探測(cè)器上使用，并且已經(jīng)在火星上運(yùn)行了近 13 年。

盡管 Yardney 的堅(jiān)固設(shè)計(jì)對(duì)于智能手機(jī)來(lái)說(shuō)成本太高，但一些與抗振和物理?yè)p壞保護(hù)有關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)功能可能會(huì)適用于具有智能、低成本架構(gòu)的智能手機(jī)。

容錯(cuò)鋰離子電池組

論文“Fault Tolerable Li-ion Battery Stack”討論了電池組中的可容錯(cuò)電路拓?fù)浜凸收细綦x方案。智能手機(jī)不一定有電池組，但其中一些想法可能有助于在手持設(shè)備中或至少在堆疊電池架構(gòu)中產(chǎn)生可行的安全解決方案。

此處的解決方案使用與每個(gè)電池串聯(lián)的單個(gè) MOSFET，以便電池組通過(guò)開(kāi)路或短路來(lái)容忍單個(gè)電池故障。以這種方式，可以通過(guò)額外的開(kāi)關(guān)隔離故障電池，以便電池組繼續(xù)運(yùn)行。感測(cè)每個(gè) MOSFET 的漏源電壓，從而間接檢測(cè)電池的電流，以確定電池的狀態(tài)。Tesla Roadster 的每個(gè)鋰離子電池單元分別為每個(gè)端子熔斷。

故障隔離有幫助，但我們?nèi)匀恍枰幚黼姵仄鸹?，即使電池與系統(tǒng)隔離以保持系統(tǒng)運(yùn)行，這些故障也會(huì)導(dǎo)致電池起火。2013 年有一項(xiàng)專(zhuān)利在電池外殼設(shè)計(jì)中使用微通道冷卻劑和制冷劑注入冷卻通道。對(duì)于智能手機(jī)來(lái)說(shuō)，這樣的解決方案既困難又昂貴，但仍然值得深思。

試圖撲滅鋰金屬電池火災(zāi)時(shí)，應(yīng)使用D 類(lèi)滅火器。鋰金屬中含有大量的鋰，會(huì)與水發(fā)生反應(yīng)，從而使火勢(shì)惡化。鋰電池通常不可充電并含有鋰金屬——這些不是鋰離子電池。鋰離子電池不含鋰金屬，通?？沙潆?。本文稍后將對(duì)此進(jìn)行更多介紹。或許防止火災(zāi)蔓延的解決方案可能涉及包含小規(guī)模貨物泡沫的滅火系統(tǒng)，以將鋰離子電池包裹在智能手機(jī)和其他手機(jī)類(lèi)型中。

電弧和火花檢測(cè)與預(yù)防4

對(duì)于 18 ± 1 V 左右的電壓，即鋁殼電池的陰極和陽(yáng)極壓降之和，存在電弧事件的風(fēng)險(xiǎn)，并且電弧電流足以在電流斷開(kāi)期間點(diǎn)燃電弧中斷設(shè)備 (CID) ( > 1 A)。低于此電壓還存在產(chǎn)生火花的風(fēng)險(xiǎn)，已確定鋁觸點(diǎn)的 11.2 V 電壓和 0.4-A 電流 (4.5 W) 也足以點(diǎn)燃。盡管與電弧事件相比，火花產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)要小得多，但仍需要加以解決和預(yù)防。

電弧通常不會(huì)出現(xiàn)在智能手機(jī)中，但會(huì)因機(jī)械損壞而產(chǎn)生火花?！凹丛O(shè)計(jì)人員如何幫助減輕甚至防止小型手持設(shè)備發(fā)生火災(zāi)，以及電動(dòng)汽車(chē)或其他高鋰離子電池的電壓/電流應(yīng)用。

在系統(tǒng)層面，設(shè)計(jì)人員通常選擇軟件和硬件兩類(lèi)冗余保護(hù)器件。借助軟件保護(hù)，系統(tǒng)可以在發(fā)生故障時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)膭?dòng)作監(jiān)控電池系統(tǒng)特性。硬件是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)樾袠I(yè)中有許多解決方案。

美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)(NTSB)在 2014 年進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，波音 787 鋰離子電池中存在電弧現(xiàn)象，導(dǎo)致電池起火。

減輕電弧的一些可能的解決方案是： 用于電弧中可聽(tīng)噪聲的聲學(xué)檢測(cè)器;用于電弧產(chǎn)生的高溫的熱探測(cè)器;電壓檢測(cè)，一種用于檢測(cè)電弧所表現(xiàn)出的強(qiáng)光的光學(xué)檢測(cè)器;和一個(gè)電弧故障斷路器。您希望在出現(xiàn)電弧或火花事件的第一個(gè)跡象時(shí)向系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)。德州儀器 (Texas Instruments) 有一個(gè)非常漂亮的直流電弧檢測(cè)評(píng)估板，它是一個(gè)符合 UL1699B 標(biāo)準(zhǔn)的光伏電弧檢測(cè)系統(tǒng)，占位面積為 50×30 mm。