基于標準符合性的移動電源安全設(shè)計

柯禮 王粵威 胡永樂 趙海波 汪順祥

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基于標準符合性的移動電源安全設(shè)計

柯禮 王粵威 胡永樂 趙海波 汪順祥

（珠海出入境檢驗檢疫局）

智能手機和平板電腦的普及，使人們對電池的消費需求不斷提高，移動電源應(yīng)運而生。但其質(zhì)量良莠不齊，給消費者的選擇帶來許多困惑。劣質(zhì)的移動電源不僅性能差，還存在安全隱患。移動電源的安全受其內(nèi)部的電壓、電流和外部的溫度、振動等諸多因素影響。設(shè)計時若考慮不周，可能導(dǎo)致性能損失，甚至引起起火、爆炸等?；谝苿与娫吹墓ぷ髟砗徒Y(jié)構(gòu)，對影響移動電源安全的因素進行深度剖析，并針對性地提出相應(yīng)的解決方案。

移動電源；結(jié)構(gòu)；安全設(shè)計；電池配組

0　引言

國家標準GB 31241-2014《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求》實施后，移動電源的安全特性必須符合該標準的相關(guān)要求。構(gòu)建符合安全特性要求的移動電源產(chǎn)品既是對消費者的負責(zé)，也是產(chǎn)品持續(xù)發(fā)展的前提。

1　移動電源的工作原理

移動電源是集儲電、降壓、升壓和充放電管理于一體的便攜式設(shè)備。簡單的移動電源由電池組、升壓系統(tǒng)、降壓系統(tǒng)和輸入輸出接口構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　移動電源工作原理示意圖

其中鋰離子電池組是核心部件，主要用于電能儲存。輸入和輸出接口通常采用USB接口，輸入和輸出電壓均為5 V。鋰電池的充電限制電壓一般為4.2 V，因此在輸入回路需要降壓系統(tǒng)，以避免充電電壓過高。在對外供電時，鋰電池的工作電壓一般處于3.0 V～4.2 V之間，因此又需要升壓系統(tǒng)將電壓升至5 V，以滿足USB的輸出規(guī)范，并與負載匹配。

2 影響移動電源安全的因素

本文描述的安全是指對標準GB 31241的符合性。根據(jù)該標準要求，可將影響移動電源安全的因素歸納為5個方面：

1)電池的安全特性，如泄壓裝置、薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計等，各個單體電池之間存在一定的差異性；

2)工作時電池的電壓條件和電流條件，包括充電電壓過高、放電電壓過低、電流過大等，電池的短路是大電流的極端表現(xiàn)；

3)熱散發(fā)條件，直接影響移動電源的工作溫度，由外殼的材料與結(jié)構(gòu)等因素決定；

4)電池配組的影響，在構(gòu)造大容量移動電源時，需要將多個電池采用串聯(lián)或并聯(lián)的方式予以集成。研究表明[1-4]，電池的一致性將直接影響串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)的效率、壽命等多方面特性，差異大時甚至?xí)l(fā)安全問題。其一致性主要表現(xiàn)在電壓、內(nèi)阻、容量等參數(shù)上。值得注意的是，一致性好的電池在使用一段時間后也可能產(chǎn)生差異；

5)存放和使用環(huán)境的影響，通常來自于存放和使用條件，包括氣壓變化、溫度變化、振動、應(yīng)力、跌落和沖擊等。

前4個影響因素來自于移動電源內(nèi)部，存放和使用環(huán)境的影響則來自于外部。

3　移動電源的安全設(shè)計

移動電源的安全設(shè)計基于影響其安全的因素，并分為內(nèi)、外部因素分別予以處理。通過材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計等，對內(nèi)部風(fēng)險點逐個予以消除或降低風(fēng)險。對外部環(huán)境的影響采取隔斷措施或緩解措施，將外部影響有效降低。本文以構(gòu)造一個容量為10000 mAh的移動電源為例子，分析設(shè)計要點。

3.1電池的選取和配對組合

電池依據(jù)個體的安全特性及性能參數(shù)（電壓、內(nèi)阻、容量）進行選取。標準GB 31241對電池和電池組均提出了相應(yīng)的安全要求，作為移動電源的元件，電池應(yīng)以符合該標準為前提。標準要求電池廠商提供電池的認證或測試報告，并對原料進行抽檢，以實現(xiàn)電池安全特性的有效控制。

性能參數(shù)的選取基于電池配組的要求，注重一致性。參考行業(yè)內(nèi)共識，本文樣品將配組電池70%容量時的電壓差異控制在5 mV以內(nèi)，內(nèi)阻值差異控制在5 mΩ以內(nèi)，容量則控制在50 mAh以內(nèi)。

電池組配組時考慮以下原則：

1)配組電池個數(shù)盡可能少，串并聯(lián)結(jié)構(gòu)引入新的風(fēng)險點，由于遵循短板理論，性能也會下降，當容量要求必須進行串并聯(lián)配組時，則配組的電池數(shù)目應(yīng)盡可能少；

2)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電壓、內(nèi)阻和容量對電池并聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響低于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，同樣的差異條件下，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)對移動電源的安全和性能均有所提升；

3)作為配組元件的電池，盡量使用同一制造商、同一型號、同一批次的電池，以避免出現(xiàn)因材料不同或生產(chǎn)工藝不同而進一步導(dǎo)致老化差異。

從性價比出發(fā)，選擇符合GB 31241標準的18650型鋰離子電池，經(jīng)實測篩選4顆（容量為2600 mAh）進行分組配對，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)方式連接。

3.2控制電路的安全設(shè)計

電池對電壓、電流和溫度敏感，且受其他因素的影響也體現(xiàn)于這3個參數(shù)。因此控制電路的安全防護機制本質(zhì)上是對這3個參數(shù)進行實時測量，并根據(jù)測得值對工作回路進行控制。由于電子元器件被視為不可靠的器件，因此需考慮兩重或以上的防護方式。根據(jù)其作用機理，可行的方案可分為軟件控制和硬件保護2種。本設(shè)計采用以軟件控制作為第一重保護，硬件保護為第二重保護的方案。

3.2.1基于單片機或可編程邏輯芯片的軟件控制

使用單片機或?qū)Ｓ玫奶幚硇酒?，可?gòu)造電壓、電流和溫度的實時監(jiān)控電路。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，對電池回路予以接通和切斷。參照標準GB/T 18287[5]，并從安全角度考慮冗余設(shè)計，將單體鋰離子電池的充電電壓限值設(shè)定為4.2 V，放電終止電壓設(shè)定為3.0 V。電流的控制則根據(jù)設(shè)計的輸出條件和線路、電池的承載能力予以設(shè)定。

電壓檢測的采樣電路如圖2所示，“B+”為電池正極，“BAT-V”連接至單片機I/O接口。單片機通過軟件訪問I/O接口，可獲得當前的電池端正極相對于地（電池負極）的電壓值，實現(xiàn)電壓的測量。

圖2　電源端電壓測量

在電池回路串入開關(guān)器件，并由單片機的輸出信號對其進行控制，以實現(xiàn)工作回路的軟件接通和切斷功能。開關(guān)控制電路如圖3所示，Q1、Q2為CMOS開關(guān)器件，PWM0和PWM1連接單片機。單片機向PWM0和PWM1提供的電平值，決定Q1、Q2處于接通或斷開狀態(tài)。當Q1、Q2處于斷開狀態(tài)時，電池正極僅與單片機和濾波電路連通，與電路的其他部分斷開。

同理，在輸入輸出回路上采樣，實現(xiàn)電流的測量。將溫度傳感器粘貼于電池表面，實現(xiàn)溫度信息的采集。

在上述硬件電路的基礎(chǔ)上，編寫相應(yīng)的軟件，實現(xiàn)電壓、電流和溫度信息的輪詢和監(jiān)控，必要時切斷電路，其典型流程如圖4所示。

圖3　開關(guān)控制電路

圖4　典型的參數(shù)監(jiān)控流程

3.2.2硬件防護設(shè)計

硬件的防護可通過專用的集成電路或特定的電路結(jié)構(gòu)予以實現(xiàn)。將專用的鋰電池保護集成電路芯片，如DW01 plus、DW02D等，串接于電池或其串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的工作回路，可實現(xiàn)電壓、電流的保護。當電壓過高或過低、電流過大時，觸發(fā)芯片動作，電路將被切斷；當動作條件解除后，電路恢復(fù)接通。

過流和過壓保護電路如圖5所示，本文采用DW01 plus搭配貼片MOS開關(guān)器件（U2、U3），構(gòu)造過壓、過流保護電路。

當過流或過壓情況出現(xiàn)時，DW01 plus的OC、OD引腳將出現(xiàn)相應(yīng)的觸發(fā)電平，該電平連接開關(guān)器件，使開關(guān)器件發(fā)生相應(yīng)的動作，以切斷工作回路。

圖5　過流和過壓保護電路

溫度保護設(shè)計可通過溫度保護器件予以實現(xiàn)，如PTC、熱斷路器等。將保護器件串聯(lián)至電池的工作回路，并安裝于熱敏感點上。其中，PTC器件通過隨溫度升高增加回路阻抗的方式抑制溫度上升，實現(xiàn)保護。熱斷路器則在溫度達到設(shè)定值時切斷回路，實現(xiàn)保護。

實驗證明，溫度保護的有效性與安裝的位置、溫度傳遞的有效性密切相關(guān)。保護器件的安裝位置盡可能貼近電池端，并盡可能使保護器件與電池之間實現(xiàn)良好的溫度傳遞。

目前市場上大部分的移動電源考慮了電壓、電流的控制和保護，而實施溫度保護設(shè)計的產(chǎn)品尚不多見。鑒于電池產(chǎn)品燃燒和爆炸的條件形成與其內(nèi)外部的溫度有著密不可分的聯(lián)系，有效的溫度保護設(shè)計可提高該類產(chǎn)品的安全系數(shù)。本文采用熱斷路器作為溫度保護器件，串接于電源正極端，并緊貼電池表面。

3.3外殼安全設(shè)計

移動電源因其所處環(huán)境不同，可能承受低氣壓、高溫、低溫、跌落、沖擊和振動等影響。便攜式電池產(chǎn)品的安全標準，如GB 31241、UL 2054、UN38.3等[6-7]，就是根據(jù)上述可能出現(xiàn)的情況規(guī)定了其測試方法和判定條件。適當?shù)耐鈿ぴO(shè)計可增強移動電源對外界環(huán)境的適應(yīng)能力。結(jié)合相關(guān)標準要求，外殼的設(shè)計主要考慮以下因素：

1)針對電路板和電池外形設(shè)計有效的定位槽，配合螺釘、隔板使電路板和電池可靠定位。市場上有部分移動電源樣品在進行電池的振動試驗時出現(xiàn)散架現(xiàn)象，其原因在于上下外殼之間的連接固定不可靠，且電池定位裝置設(shè)計不合理。鑒于電池對壓力的敏感性，不建議采用過盈配合的形式定位。

2)外殼與電池之間設(shè)置緩沖軟墊。在電池和外殼之間使用軟墊和膠質(zhì)材料填充，形成有效的緩沖層，吸收部分來自于跌落、振動和沖擊等情況形成的能量，降低實際承受的能量沖擊。

3)外殼的材料選取耐高溫（＞100℃）和阻燃性能（HB級以上）良好的塑料。移動電源可能暴露于高溫場合，如放置于車內(nèi)，耐熱性不足可能導(dǎo)致外殼的變形，從而使得電池及其工作電路暴露，進一步導(dǎo)致短路等危險現(xiàn)象出現(xiàn)。同時，因為某些原因?qū)е码姵卦诎l(fā)生燃燒和爆炸等危險情況時，阻燃性能良好的外殼可實現(xiàn)一定的隔斷和延緩其危害擴散的作用。

4)在電池外殼4個角加支撐柱，在不增加外殼厚度的情況下，適當增強移動電源整體的機械強度。

4　結(jié)語

本文對影響移動電源安全的因素進行了剖析，并針對性地提出了相應(yīng)的解決方案。移動電源安全設(shè)計必須具備以下特征：

1)注重電池的安全特性，源于采購的電池通過索取報告、認證證書的方式獲得對電池安全的承諾；結(jié)合來料抽樣檢測，對其安全特性進行控制；

2)基于參數(shù)實測的電池篩選和優(yōu)化的配組結(jié)構(gòu)，有效降低電池配組帶來的安全風(fēng)險；

3)軟硬件結(jié)合，覆蓋電壓、電流和溫度的多重保護措施；

4)合理的外殼設(shè)計，有效改善移動電源產(chǎn)品對環(huán)境的適應(yīng)性，有助于提高產(chǎn)品的整體安全性能。

參考文獻

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[7] UL 2054-2004.Household and CommercialBatteries[S]. Washington DC, Underwriters Laboratories Inc., 2004.

Safety Design of Power Bank Based on Standard

Ke Li Wang Yuewei Hu Yongle Zhao Haibo Wang Shunxiang

(Zhuhai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau)

Along with the popularity of smart phone and tablet computers and the rising consumer demand for battery, the power bank came into being. But the difference qualities of power banks bring the consumer a lot of confusion and choose difficulty. The power bank of poor quality, not only is poor performance, but also may be a security risk. The safety of power bank is influenced by many factors, such as temperature, vibration depending on external and voltage, current depending on internal and so on. The consideration of the design can lead to the loss of performance. It can even cause more serious consequence such as fire, explosion and so on. Based on the analysis of the operational principle and structure of the power bank, this paper makes a deep analysis of the factors affecting the safety of the power bank, and puts forward the corresponding solutions.

Power Bank; Structure; Safety Design; Battery Matching

柯禮，男，1980年生，理學(xué)碩士，機電工程師。主要研究方向：電氣安全檢測與設(shè)計。E-mail: 79075727@qq.com