如何減少鋰聚合物電池膨脹：充電、電池管理系統與機械設計策略

快速回答： 鋰聚合物電池膨脹通常是由於高溫、過充電、長時間高電量、電池老化、內部缺陷或不合適的機械約束等原因導致軟包電池內部產生氣體所致。製造商可以透過選擇合格的電芯、控制充電電壓和溫度、設計有效的充電系統來降低風險。 電池管理系統 (BMS)從而預留了可控的擴展空間，並在實際運作條件下驗證了整個電池組。

鋰聚合物電池 軟包電池具有高能量密度、靈活的尺寸和輕巧的袋裝結構。這些優勢使其適用於便攜式醫療設備、手持儀器、消費性電子產品和其他空間受限的設備。然而，當內部氣體積聚時，軟包電池會發生明顯的膨脹。膨脹不僅僅是外觀問題，它還會導致外殼變形、連接器受力、降低電氣可靠性，並表明電池內部性能下降。

因此，防止鋰聚合物電池膨脹需要的不僅僅是增加保護電路。電芯、充電器、電池管理系統（BMS）、散熱路徑、外殼和工作曲線必須作為一個整體系統來設計。

第一部分：鋰聚合物電池為何會膨脹

1.1 軟包電池內部氣體產生

鋰聚合物軟包電池包含活性材料、電解液、隔膜層和鋁塑複合外殼。正常工作期間，電化學反應應保持可控狀態。當電池電壓過高、溫度過高、受到污染、老化或內部損壞時，可能會發生副反應，導致電解液分解並產生氣體。

由於軟包電池沒有剛性金屬外殼，積聚的氣體會導致電池膨脹。這使得軟包電池的膨脹現像比圓柱形電池更容易觀察，但任何形式的鋰離子電池都可能發生潛在的電化學性能衰減。

1.2 鋰聚合物電池膨脹的常見原因

第二部分：降低腫脹風險的充電策略

2.1 控制最大充電電壓

充電電壓對鋰聚合物電池的應力有直接影響。充電器必須使用所選電池化學成分和型號所規定的電壓限制。即使是輕微的、反覆的過電壓情況也會加速電解液分解和容量損失。

設計團隊應評估完整的電壓控制鏈，包括充電器精度、電池管理系統 (BMS) 測量容差、線路壓力降、校準漂移和元件容差。保護閾值不得視為正常充電目標。充電器應在低於 BMS 緊急切斷電壓的情況下安全終止。

2.2 根據溫度調節充電電流

在低溫或高溫下充電都會損壞鋰離子電池。單一的固定充電電流很少能涵蓋整個工作範圍。更安全的策略是採用與溫度相關的充電限制：

• 禁止在電池允許的溫度範圍之外充電。
• 在接近溫度上限和下限時降低充電電流。
• 將溫度感測器放置在能夠反映電池實際溫度的位置。
• 考慮電池充電時設備產生的熱量。
• 在最終外殼中驗證充電情況，而不僅僅是在開放式測試台上。

對於在惡劣環境下運作的設備， 低溫電池解決方案 可能需要採取其他措施，而不僅依賴軟體限制。

2.3 避免不必要的100%充電時間

有些設備會長時間連接外部電源。如果電池持續保持最大電壓，則會增加電池老化和膨脹的風險。根據運行時間要求，製造商可以考慮採用電量維持策略、自適應充電或降低正常充電上限。

這些決策需要在最大運行時間和使用壽命之間進行權衡。它們應該基於實際的佔空比，而不是通用的消費性電子產品充電曲線。

第三部分：BMS設計預防腫脹

3.1 電池級電壓監測

在多節電池組中，僅監測電池組總電壓可能會掩蓋不平衡現象。即使某個電芯的充電電壓超過其安全範圍，整個電池組看起來仍然正常。一個設計合理的電池組應該能夠解決這個問題。 BMS和PCM 測量每個系列組，並在單一細胞進入有害狀態之前做出反應。

電壓閾值應考慮感測精度、電阻容差、模擬前端誤差、溫度漂移、偵測與電流中斷之間的延遲。

3.2 電池平衡

隨著時間的推移，由於電池老化程度不同，電池間的不平衡會逐漸加劇。均衡有助於防止單一電池在充電或放電過程中成為限制因素。被動均衡常見於小型電池組，而較先進的系統則可能採用主動均衡，前提是容量、效率或運行時間的提升足以彌補複雜性的增加。

均衡化處理無法修復損壞或不匹配的電池。良好的電池匹配、一致的生產批次以及生產線末端的驗證仍然至關重要。

3.3 溫度監測與故障反應

熱敏電阻應放置在能夠偵測充電和尖峰負載下相關電芯最熱區域的位置。較大的電池組或不均勻的熱環境可能需要多個感測器。電池管理系統 (BMS) 隨後可以透過 SMBus、CAN、UART 或其他裝置介面降低電流、停止充電、斷開負載或報告故障。

溫度保護應與主機設備協調配合。電池靜默斷開連接可能會造成不同的系統級風險。 醫療器械 或關鍵工業設備。設計人員應定義警告狀態、備用方案和服務說明。

3.4 健康狀況和腫脹相關診斷

電池管理系統（BMS）無法直接測量氣體產生情況，除非電池組內建壓力或位移感測器。但是，它可以識別一些預警趨勢，例如內阻升高、溫度異常升高、可用容量降低、電芯不平衡加劇或充電時間異常。

記錄這些參數有助於預防性維護，並幫助工程師區分正常老化和新出現的故障。

第四部分：機械設計策略

4.1 預留可控膨脹空間

軟包電池在正常循環過程中厚度會發生輕微變化。外殼必須滿足電池供應商規定的尺寸公差以及預期壽命期間的膨脹要求。如果外殼對電池夾持過緊，可能會施加有害壓力；而如果外殼沒有約束，則可能導致電池移動、磨損或連接器疲勞。

目標是可控支援：在確保單元安全的同時，提供明確的方向和擴展空間。

4.2 避免尖銳邊緣和壓力不均

電池托架、支架、螺絲、PCB板邊角和線纜佈線都可能造成局部壓力點。工程師應使用光滑的接觸面、適當的緩衝材料、邊緣保護措施，並控製組裝扭力。黏合劑應與軟包薄膜和工作溫度相容。

4.3 保護電池而不累積熱量

泡沫和絕緣材料可以保護軟包​​電池免受振動影響，但過量的絕緣材料可能會導致熱量積聚。機械保護和熱管理必須同步進行。應在最惡劣工況下對電池、充電器、處理器、顯示器、馬達或其他內部組件的發熱量進行測繪。

對於堅固耐用的 工業電池系統此外，此組件可能還需要抗振性、防護等級、加強型連接器和應力消除功能，同時避免產生過多的機械約束。

第五部分：細胞選擇與生產控制

5.1 選擇實際應用程式的儲存格

電池選擇除了標稱容量外，還應考慮其他因素。工程師應評估最大連續電流、脈衝電流、充電速率、工作溫度、儲存溫度、循環壽命目標、厚度公差、膨脹規格和可追溯性。

高容量電池在接近其熱極限或電流極限運作時，其性能可能不如容量稍低但設計裕量更大的電池。

5.2 保持單元格匹配和可追溯性

同一電池組中使用的電芯應根據電壓、容量、內阻、生產批次和老化程度進行匹配。混用特性差異顯著的電芯會增加電池組的不平衡性和熱穩定性差異。

生產控制應包括來料檢驗、電池開路電壓測量、內阻篩選、焊接驗證、絕緣檢驗、電池管理系統編程、功能測試和最終包裝可追溯性。

5.3 驗證完整電池組

僅憑電芯證書並不能證明成品電池組適用於此設備。驗證應涵蓋電池組、充電器、外殼、線路、韌體和主機設備，並在實際條件下進行測試。

• 在相關溫度下進行充放電循環
• 在特定荷電狀態下進行高溫存儲
• 電池不平衡和保護閾值測試
• 異常充電器和單故障測試
• 振動、衝擊、跌落和壓縮評估
• 最終設備外殼內部的熱成像圖
• 運輸測試，例如適用的 UN 38.3 標準。
• 針對特定應用的安全性和法規測試

第六部分：鋰聚合物電池膨脹時該怎麼辦

膨脹的電池不應充電、刺穿、擠壓或恢復使用。請停止使用該設備，並依照製造商的安全規程進行隔離，然後聯絡合格的維修服務商進行評估或處置。切勿嘗試壓扁軟包電池或釋放氣體。

對於製造商而言，一旦出現膨脹報告，就應啟動系統性的調查。調查內容包括電池歷史記錄、充電器使用、溫度記錄、電池電壓、儲存條件、機械痕跡、生產批次以及退回樣品的狀況。目的是確定事件是否與電池品質、系統設計、組裝、使用條件或老化有關。

第七部分：新型鋰聚合物電池專案工程檢查清單

常見問題

鋰聚合物電池膨脹的主要原因是什麼？

鋰聚合物電池膨脹是指軟包電池內部發生不必要的化學反應並產生氣體。常見誘因包括過充電、高溫、長時間滿電存放、電池老化、內部缺陷和機械損傷。

電池管理系統（BMS）能否完全防止鋰聚合物電池膨脹？

電池管理系統（BMS）透過監測電壓、電流、溫度和電芯平衡，顯著降低風險，但它並不能消除所有風險因素。電芯品質、充電器精度、散熱設計、機械支撐、製造控制和運作條件也同樣重要。

軟包電池應該有多少擴充空間？

沒有通用的標準。設計人員應遵循電池製造商提供的尺寸公差和膨脹指南，然後透過循環壽命測試、溫度測試和機械測試來驗證整個外殼的完整性。

膨脹的鋰聚合物電池還能安全使用嗎？

不。如果電池明顯膨脹，請停止充電和使用。切勿刺穿、擠壓或試圖將其壓扁。請遵循設備製造商提供的隔離、維修、運輸和處置說明。

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