摘要：为了解决卷绕式功率型锂亚电池的安全性问题，采用电源综合管理的思路通过在电池上加装智能逻辑电路，从而使电池同时具有防止短路、防止电流过大、防止电池过放电和防止电池被充电的综合保护能力，而且响应时间均在1秒钟以内，与响应时间慢和功能单一的FIE和FUSE保护方案相比，这种Safe-Plus电池具有更高的安全性和可靠性。   

    目前在智能水表、热表、气表以及通讯等装置上都使用卷绕式的功率型锂／亚硫酰氯电池作为电源。卷绕式电池由于具有持续大电流高功率输出能力和较好的电流脉冲能力，但是在储存、运输和使用过程中的危险性很大，特别是在电池短路、过放电、瞬时电流过大和温度过高等情况下有爆炸的可能，其安全问题一直是生产者、销售者和使用者担心的主要问题，但是这个问题长期以来一直没有得到很好的解决。

    在解决功率型锂亚硫酰氯电池的安全性问题时，目前主要采用的方法是在电池上加装FTC或者FUSE熔断器，但是这些措施都仅仅只能防止电池短路，功能单一，没有对电池进行电源综合管理的功能，而且FUSE还具有不可恢复性。所以虽然加装了这些保护装置，功率型锂电池潜在的安全隐患仍然很大。

    惠州亿纬电源科技有限公司采用电源管理的方案，通过使用智能逻辑电路模块对功率型锂电池进行综合管理和保护，在其EVE(Energy VeryEndure)晶牌的Safe-Plus功率型电池的安全保护上取得了成功，并已取得国家发明专利(200510032624．2)和实用新型专利(200520053300．2)。

    锂亚功率型电池与容量型的锂亚

  电池相比具有脉冲能力高，持续大电流工作能力强，滞后现象不明显等优点，但是其安全问题是最大隐患，主要的隐患包括电池在短路或者输出电流过大(大于电池本身所能承受的最大电流)、过放电(当电池电量已近用完，负载电压已经迅速低至2．0V以下，但是外电路仍然处于接通状态持续放电)、外电路对电池强制充电(针对不同型号的电池所能承受的

电流、电压也不同)等情况下存在爆炸的可能。

图1  SafePlus电池的基本结构图

    在图1中列出了管理控制电路最基本的功能模块，各个模块的功能和作用见表1，根据电源使用的需要和电池组合的需要，可以设计各种不同的技术方案，从而实现符合应用要求的各种综合保护和管理功能。在这些模块中，可以按照要求写入逻辑判断与控制管理的程序，从而实现电池保护的智能化。这些模块和功能元器件均是可恢复性的，所以整个保护电路具有可恢复性的功能，一旦隐患解除，电池即可在很短的时间内恢复供电，响应时间一般在几十毫秒左右。

表1 Safe-Plus电池典型逻辑保护线路模块的功能简介

 

2．1  电池短路或者输出电流过大时，各种保护方案的效果

2．1．1  不加任何保护装置   

    对于锂亚功率型电池如果不增设任何保护装置时进行短路就有可能发生爆炸。图2是ERl4505M电池在没有任何保护装置的情况下进行短路，测得的时间一电池温度曲线(上)、时间一电池短路电流曲线(下)。当电池短路后，电池温度在180秒内升高到100℃以上，最终发生了爆炸。

            

图2没有任何保护装置的ERl4505M电池的短路曲线

2．1．2  加FUSE或PTC

    功率型电池安装FUSE后在电池短路或者输出电流过大的情况下，由于FUSE很快熔断，电池的对外电路被切断，电流自然为零，可见安装FUSE的电池可以起到短路保护的作用。但是外电路的异常情况(如短路)解除以后，电池无法再恢复对外供电。

    功率型电池安装PTC后在电池短路或者输出电流过大的情况下，由于PTC的电阻增大起到了限流作用，电池的温度不会大幅度升高至危险状态。图3是安装了PTC的ERl4505M电池发生短路时所记录的时间一电池温度曲线、时间一电池短路电流曲线。从图3中可以看出电池温度曲线的最高温度没有超过60℃，而且在短路不长的时间里(160秒左右)电流就被钳制在一个很低的地方。可见安装PTC的电池可以起到短路保护的作用。当电池的异常情况(如短路)解除以后，PTC再次回到常温，电池恢复对外供电。

2．1．3使用本方案的智能保护电路

          

图3  安装PTC保护装置的ERl4505M电池的短路曲线

    图4是ERl4505M型Safe-Plus电池在短路情况下的时间与Safe-Plus电池输出电压之间的关系曲线。从图中可以看出，Safe-Plus电池在电池短路或者输出电流过大的情况下，电池的控制模块可以在极短时间内迅速切断电路，电压迅速降低为零，从而起到短路保护的

作用。在-40℃~85℃下短路保护动作时间在lms以内，输出电流过大保护动作时间在4ms以内。如果电池短路解除，电池1秒之内迅速恢复对外供电。在图4中可以看出，连续进行的两次短路试验，均得到相同结果，从而证明电池的具有很好的短路恢复能力。

综上所述这些试验结果表明，与在功率型锂亚电池上加装PTC、FUSE等保护方案相比，Safe-Plus电池可以起到更好地防止短路或者是，电流突然增大的作用。FUSE保护方案的电池在短路后不能自动恢复，只能是一次性使用；PTC保护方案的电池响应时间接近100秒，仍然会使电池温升接近60℃，而且在短路不解除的情况下，电池始终会有一个放电过程(约100mA)最后可能会导致电池过放电；Safe-Plus电池可以在1秒之内响应短路信号，控制电池作出开／关动作。可见在这些方案中，Safe-Plus电池在防止短路或者是电流突然过大时效果是最好的。  

         图4  Safe-Plus电池在短路情况下的时间—输出电压之间的关系曲线

2．2  电池过放电时，各种保护方案的效果

对于锂亚功率型电池，如果过放电使得电池电压低于2．0V时电池就有爆炸的危险。但是在电池上安装FUSE与PTC根本具有过放电保护的功能。

    Safe-Plus电池在侦测到电池的负载电压小于规定值时，就被认为处于过放状态，由Safe-Plus线路板的开关电路控制电池的对外电路被迅速(1秒之内)切断。在我公司的设计中，图5是将过放电压设置在2．3V左右，当电池的负载电压达到过放电压时，Safe-Plus电池对电路的控制曲线，从图中可以看出一旦电池达到2．3V时，Safe-Plus电池板迅速关断外电流，使得电池不再有对外的输出，也就不会再继续放电从而达到了对电池过放电情况的控制。

 

图5 达到过放电压设置时Safe-Plus电池的关断效应图

2．3  电池被反充电时，各种保护方案的效果

    对于锂亚功率型电池，如果由于意外情况出现外电路对电池强制充电(针对不同型号的电池所能承受的电流、电压也不同)也有可能引起潜在的危险。可以知道在电池上安装FUSE与PTC根本不含有防止意外充电的保护功能。

   Safe-Plus电池在侦测到电池受到外电流的强制充电时，由Safe-Plus电池的线路板的开关电路控制电池的对外电路被迅速(1秒之内)切断。在我公司的设计中，将过充电压设置在4．3V左右。图6是当ERl4505M电池受到强制充电时，Safe-Plus电池线路板对电流的控制曲线。具体是，第一步电池先20mA恒流放电；第二步电池以3．6V，100mA对电池充电；第三步电池以4．3V，100mA充电。从图6中可以看出第二步电池开始充电后，由于本电池是满容量的一次锂电池，所以充电电流在5秒内就变得很小10mA，在第三步充电电压达到4．3V时，Safe-Plus线路板迅速关断外电路，电流降低为0．1mA，使得电池不再有被充电的可能。

图6 达到防止反充电电压设置时Safe-Plus的关断效应图

    综上所述，四种功率型电池的典型保护方案的性能比较如见表2。通过表2我们可以看出Safe-Plus电池的安全性明显优于其他各类电池。

表 2 四种功率型电池的安全性对比

3  结  论

    采用电源综合管理的方案通过智能保护电路设计的Safe-Plus电池，同时具有短路保护、过流保护、过放电保护和防止充电的功能，并能依据用户的要求对各种保护性能进行组合和优化改进，例如对于组合电池可以增加旁路功能等。对比现有功率型电池的PTC或者是FUSE保护方案具有保护功能多、响应时间快、保护参数可调、保护彻底、综合性价比高等特点，从而比PTC和FUSE方案具有更高的安全性和可靠性。