- БЕЗПЕКА LI-ION батарей
- БЛОК КОНТРОЛЮ БАТАРЕИ (БКБ) І ЗАХИСТ БАТАРЕИ
- ЗАХИСТ автономного ДЖЕРЕЛА ХАРЧУВАННЯ ВІД СТАЛОГО ВІДМОВИ
- ВИСНОВОК
- ЛІТЕРАТУРА
- Про компанію Texas Instruments
Наша сеть партнеров Banwar
Виробники джерел живлення на основі Li-Ion батарей уважно ставляться до створення безпечних і надійних пристроїв для систем з автономним живленням. Електронні пристрої в автономних джерелах живлення контролюють умови роботи Li-Ion батарей, в тому числі внутрішній опір батареї, температуру, напругу на елементах, струми заряду і розряду, і процес заряду для забезпечення системи точною інформацією про залишковий ресурс і справності батареї. На цій інформації заснована правильність прийнятих системою рішень. Крім того, для підвищення безпеки батареї, при виникненні хоча б однієї з умов відмови, елементи батареї відключаються від живлення системи шляхом виключення двох захисних МОП-транзисторів, з'єднаних послідовно з Li-Ion елементами в автономному джерелі живлення. Умови відмови можуть бути наступними: перевантаження по струму, коротке замикання, перевищення напруги на батареї, перевищення гранично допустимої температури. Блок контролю батареї (БКБ), заснований на технології Impedance TrackTM, контролює внутрішній опір елементів протягом усього її терміну служби. Крім того, здійснюється контроль асиметрії напруги на елементах, потенційно дозволяє виявляти мікрозамиканіе в елементі і запобігає ризик загоряння або навіть вибуху.
БЕЗПЕКА LI-ION батарей
Функціонування при температурах, що перевищують гранично допустимий рівень, прискорює зниження працездатності елементів і викликає неконтрольоване зростання температури і вибух в Li-Ion батареях. Це найбільш актуально для даного типу батарей, так як в них містяться дуже агресивні активні речовини. Коротке замикання або перезаряд батареї при великому струмі може привести до швидкого зростання температури. Під час перезарядження Li-Ion батарей, активний металевий літій осідає на аноді. Цей матеріал істотно збільшує небезпеку вибуху, так як він може вступати в реакцію з цілим рядом речовин, в тому числі з електролітом і матеріалом катода. Наприклад, суміш, що складається з літію і вуглецю, вступає в реакцію з водою, і водень, що виділяється в результаті цієї реакції, може спалахнути від високої температури, що супроводжує цю реакцію. Такий матеріал катода, як LiCoO2, вступає в реакцію з електролітом при перевищенні неконтрольованого зростання температури порога в 175 ° C при напрузі елемента 4,3 В.
Для ізоляції позитивного і негативного електродів в Li-Ion-елементах застосовуються такі тонкі мікропористі плівки, як поліолефін. Цей матеріал володіє відмінними механічними властивостями, хімічною стабільністю і прийнятною ціною. Низька температура плавлення поліолефіну, що знаходиться в діапазоні від 135 до 165 ° C, дозволяє застосовувати його в якості теплового запобіжника. При нагріванні цього полімеру до точки плавлення, його пористість втрачається. Це призводить до відключення елемента, так як іони літію більше не можуть протікати між електродами. Також, для забезпечення додаткового захисту Li-Ion елементів є терморезистор і запобіжний клапан. Корпус, що часто використовується в якості негативного висновку, виконаний зі сталі покритої нікелем. Коли корпус запаюється, може статися забруднення внутрішнього простору елементів металевими частинками. Згодом, частинки можуть переміщатися всередину сепаратора, погіршуючи ізоляційний бар'єр, розміщений між анодом і катодом елемента. Такий процес створює мікрозамиканія між анодом і катодом і дозволяє вільно текти електронам, в кінцевому рахунку, проводячи до відмови батареї. Найчастіше, такий тип відмови призводить як мінімум до відключення батареї і припинення нормального функціонування. Однак, в окремих випадках, батарея може перегрітися, розплавиться, викликати пожежу або навіть вибухнути. За повідомленнями преси, це стало основною причиною деяких недавніх відмов батарей, що призвели до масового відкликання приладів різними виробниками.
БЛОК КОНТРОЛЮ БАТАРЕИ (БКБ) І ЗАХИСТ БАТАРЕИ
Розробники матеріалів елементів прагнуть до підвищення рівня безпечної температури. З іншого боку, незважаючи на те, що батарея повинна пройти найсуворіші випробування на безпеку стандарту UL, наприклад UL1642, за забезпечення правильних умов заряду і готовність до виникнення численних відмов електронних елементів завжди несе відповідальність розробник системи. Система не повинна приводити до катастрофічних відмов батареї при виникненні перенапруги, перевантаження по струму, короткого замикання, умов, що призводять до перегріву і несправності зовнішніх дискретних елементів. Це означає, що необхідно передбачити отказоустойчивую захист, тобто наявність, принаймні, двох незалежних схем або механізмів захисту в одному автономному джерелі живлення. Також бажано мати електронну схему, для визначення внутрішніх мікрозамиканій батареї і запобігання виходу її з ладу.
На малюнку 1 показана функціональна схема блоку контролю батареї в автономному джерелі живлення, яка містить мікросхему вимірювача, аналогового інтерфейсу (АІ), і незалежну схему безпечної захисту другого рівня.
Мал. 1. Блок контролю батареї
Мікросхема вимірювача розроблена для точного визначення доступною ємності Li-Ion батареї. Її унікальний алгоритм дозволяє в реальному часі відстежувати зміна ємності батареї, її внутрішнього опору, напруги, струму, температури і інших важливих параметрів автономного батарейного джерела живлення. Мікросхема ізмерітея автоматично враховує струми заряду і розряду, саморозряд і старіння елементів, що призводить до відмінної точності, навіть коли батарея зношується. Наприклад, сімейство мікросхем вимірювача, заснованих на запатентованої технології Impedance Track, таких як bq20z70, bq20z80 і bq20z90, може забезпечити похибка не більше 1% на весь термін служби батареї. Для захисту від перегріву і визначення можливості заряду або розряду температура елемента контролюється за допомогою терморезистора. Наприклад, як правило, не допускається заряд батареї при температурі елемента нижче 0 ° C або вище 45 ° C, і не допускається розряд, коли температура елемента вище 65 ° C. Коли виявляється перенапруження, перевантаження по струму або перегрів, мікросхема вимірювача дає команду АІ на замикання МОП-транзисторів заряду і розряду, Q1 і Q2 відповідно. Коли виявляється недостатня напруга на елементі, мікросхема подає сигнал на АІ для замикання МОП-транзистора розряду Q2, залишаючи зарядний МОП-транзистор включеним, таким чином здійснюється підзарядка батареї.
Основним завданням АІ є захист від струмового перевантаження і короткого замикання зарядного і розрядного МОП-транзисторів, елементів живлення та інших послідовно включених компонентів. Коротке замикання визначається по підвищенню струму як в ланцюзі заряду, так і в ланцюзі розряду. Поріг і затримка спрацьовування АІ при струмового перевантаження або при короткому замиканні може встановлюватися програмно, за допомогою параметрів зберігаються у флеш-пам'яті мікросхеми вимірювача. Коли виявлено перевантаження по струму і минув час затримки, обидва, зарядний і розрядний, МОП транзистори Q1 і Q2 замикаються. Параметри виник впливу зберігаються в регістрі стану АІ, так що вимірювач, зчитуючи ці параметри, може досліджувати причини відмови.
Блок АІ виконує важливу роль в мікросхемі для вимірювання параметрів автономних джерел живлення на двох, трьох або чотирьох Li-Ion елементах. Він виконує функції високовольтного інтерфейсу і забезпечує апаратну струмовий захист. Для доступу мікросхеми вимірювача до регістрів АІ і для зміни властивостей захисту цей блок має інтерфейс, сумісний з I2C. У блок АІ також включена схема контролю асиметрії напруги елементів. У багатьох випадках в зарядженому стані (SOC) напруги елементів в автономному джерелі живлення може відрізнятися один від одного, що викликає асиметрію напруги. Блок АІ містить обхідні ланцюга для кожного елемента. Ці обхідні ланцюга можуть бути використані для зниження струму заряду кожного елемента і, тому дозволяють збалансувати стан заряду елементів під час підзарядки. Так як мікросхема вимірювача з технологією Impedance TrackTM може визначати ступінь заряду кожного елемента на хімічному рівні, то на підставі цього може бути прийнято рішення про необхідність використання врівноваження напруги елементів.
Безліч порогів захисту від перевантаження по струму спільно з різними часом активації, як показано на малюнку 2, роблять захист автономного джерела живлення на батареях більш надійною. Вимірювальна мікросхема має два рівні установки захисту перевантаження по струму при заряді / розряді. У разі виникнення короткого замикання, коли МОП-транзистори і батарея можуть бути виведені з ладу за секунди, мікросхема вимірювача цілком покладається на блок АІ, який самостійно замикає МОП-транзистори, не допускаючи подібного відмови.
Мал. 2. Багаторівневий захист батареї від перевантаження по струму
Хоча мікросхема вимірювача і, відповідно, її блок АІ забезпечують захист від перенапруги, дискретна природа контролю напруги обмежує час реакції такої системи захисту. У більшості застосувань потрібно незалежна швидкодіюча схема контролю перенапруги, що функціонує спільно з мікросхемою вимірювача і блоком АІ. Ця схема контролює напруги кожного елемента незалежно від вимірювача і АІ, і забезпечує перемикання логічного рівня виходів у разі перевищення будь-яким елементом фіксованого порога перенапруги. Час відгуку захисту від перенапруги визначається номіналом зовнішнього конденсатора затримки. Як правило, вихідний сигнал захисту другого рівня використовується для спрацьовування хімічного запобіжника або іншого пристрою безпеки з метою повного відключення Li-Ion елемента від системи.
ЗАХИСТ автономного ДЖЕРЕЛА ХАРЧУВАННЯ ВІД СТАЛОГО ВІДМОВИ
Дуже важливою характеристикою блоку контролю батареї є можливість виключення автономного джерела живлення при виникненні нештатних умов. Виявлення сталого відмови включає захист від перевантаження по струму під час заряду і розряду, захист від перегріву при заряді і розряді, захист від перенапруги (напруга джерела живлення), захист при асиметрії напруги елементів, і захист від несправності МОП-транзисторів при короткому замиканні в режимі заряду і розряду. Вибір поєднання вищеперелічених способів контролю сталого відмови залишається за розробником. Коли виявлена будь-яка з цих контрольованих несправностей, буде задіяний хімічний запобіжник для повного відключення автономного джерела живлення. Для додаткового захисту від відмови електронних компонентів блок контролю батареї здатний виявляти несправність зарядного і розрядного МОП-транзисторів Q1 і Q2. У разі закорочення зарядного або розрядного МОП-транзистора також спрацює хімічний запобіжник.
Внутрішнє мікрозамиканіе батареї, за повідомленнями в пресі, було основною причиною серії недавніх відгуків батарей з експлуатації [1]. Чи існує можливість виявити внутрішнє мікрозамиканіе батареї і запобігти її загоряння або навіть вибух? Внутрішнє мікрозамиканіе батареї може статися в разі потрапляння металевих мікрочастинок і інших включень всередину елементів при приміщенні батареї в корпус в ході виготовлення. Внутрішнє мікрозамиканіе значно збільшує струм саморозряду, що приводить до зниженої внутрішньої ЕРС в порівнянні з нормальним елементом. Мікросхема вимірювача з технологією стеження за внутрішнім опором контролює напругу внутрішньої ЕРС і фіксує асиметрії напруги елементів, коли різниця внутрішньої ЕРС елементів перевищує встановлений поріг. При виникненні такої несправності формується сигнал стійкого відмови, і МОП-транзистори замикаються. В цьому випадку відбувається і спрацьовування хімічного запобіжника. Це призведе до неможливості використання даної батареї в якості джерела живлення, її відбракування і запобігання небезпеки, пов'язаної з її можливим використанням.
ВИСНОВОК
Блок контролю батареї дуже важливий для забезпечення безпеки кінцевого споживача. Надійна багаторівневий захист, що включає виявлення перенапруги, перевантаження по струму, перегріву, асиметрії напруги елементів і несправності МОП-транзисторів, значно підвищує безпеку використання автономних джерел живлення на батареях. Метод спостереження за внутрішнім опором за допомогою контролю внутрішньої ЕРС елемента і постійного відключення батареї, дозволяє виявляти внутрішні мікрозамиканія, підвищуючи тим самим безпеку кінцевого користувача.
ЛІТЕРАТУРА
[1] Спенсер Чин, «Повернення батарей може коштувати компанії Sony понад 170 мільйонів доларів» EETimes, 25 серпня 2006 р
З питань отримання технічної інформації звертайтеся в компанію КОМПЕЛ.
Е-mail: [email protected] .
Новий логарифмический підсилювач від TI
Компанія Texas Instruments представила новий прецизійний високошвидкісний (тривалість перехідного процесу 1 мкс) логарифмический підсилювач, який формує вихідну напругу або струм як натуральний або десятковий логарифм вхідної напруги або струму. LOG114 має динамічний діапазон 8 декад і реалізовує функцію логарифмирования без застосування зовнішніх компонентів (див. Www.ti.com/SC7071.).
LOG114 спеціально розроблений для посилення сигналів на виході фотодіодів волоконно-оптичних кабелів комунікаційних систем. LOG114 також може застосовуватися для вимірювання оптичної щільності в медичних і промислових додатках, а також для приведення його динамічного діапазону вхідного сигналу у відповідність з вхідним динамічним діапазоном АЦП. Корпус QFN-16 дозволяє використовувати підсилювач в компактних вбудованих модулях та багатоканальних системах.
Висока швидкість і широкий динамічний діапазон (еквівалентно 27 бітам; від 100 пА до 10 мА на вході) з високою точністю роблять LOG114 придатним для застосування в лазерних системах управління. Підсилювач має вбудований джерело опорного напруги 2,5 В і два незалежних операційних підсилювача, що дозволяє організувати зміщення, амплітудне масштабування, порогове детектування, а також деякі інші функції.
LOG114 працює від одиночного +5 В або здвоєного ± 5 В джерела живлення в діапазоні температур від -5 до 75 ° С.
Про компанію Texas Instruments
В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як і компанії Unitrode, Power Trend і Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ отримала доступ до постачання всієї номенклатури вироблених компанією TI компонентів, технологій та налагоджувальних засобів, а також ... читати далі