如何确保锂离子电池的本质安全？
目前，锂离子电池发生的安全事故大多数都是由于保护电路失效，引起电池热失控，导致起火爆炸。因此要实现锂电池的安全应用，对其保护设计尤为重要，要考虑各种引起锂电池失效的因素。除生产工艺引起的失效外，其他基本都是由于外界极端条件变化引起的，如过充、过放、高温等因素。如果实时监测好这些参数，当这些参数发生变化时，做好相应防护措施，就可以避免热失控的发生。锂电池的安全设计包含以及几点：电芯选择、结构设计、BMS的功能安全设计。
电芯选择
影响电芯安全的因素很多，电芯材料的选择是电池安全的基础。由于化学特性不同，锂电池的不同正极材料安全性差异较大。比如磷酸铁锂是橄榄石状结构，较为稳定不容易坍塌；而钴酸锂与三元锂则是层状结构，容易崩塌。隔膜的选择也至关重要，隔膜性能直接与电芯内的安全性相关。所以在选择电芯时，不仅只是简单看检测报告，更要看厂家生产工艺及材料参数。
结构设计
电池的结构设计主要考虑绝缘、散热的要求。
绝缘要求一般要考虑以下几个方面：正极与负极之间的绝缘；电芯与外壳之间的绝缘；极耳与外壳之间的绝缘；PCB的电气间隙与爬电距离，内部布线设计，接地设计等。
散热的要求主要针对一些大型储能或动力用电池。由于电池能量较高，充放电时候发热量巨大，若不能及时排出热量，导致堆积则容易发生安全事故。所以外壳材料的选择与设计（要有一定的机械强度与防尘防水要求），冷却系统的选择以及内部其他隔热，散热灭火系统需要考虑在内。
关于电池散热系统的选择与应用可以参考往期月刊
功能安全设计
锂电池在充电和放电的过程中，自身材料的理化特性不能限制充放电电压。而一旦充放电电压超出额定范围，将会对锂电池造成不可逆转的损伤，因此就需要外加锂电池保护电路来使锂电池工作时内部电芯的电压和电流维持在正常的状态。对于电池的BMS来说需要有如下功能：
过压充电保护：过充是导致电池热失控的主要原因之一。过充后的正极材料由于过度锂离子脱出会导致结构坍塌，而负极也会有析锂现象导致热稳定性下降、副反应增多，具有潜在热失控危险。所以在充电达到电芯的上限电压以后及时切断电流尤为重要。这就要求BMS有过压充电保护功能，让电芯的电压时刻保持在其工作限值内。最好避免保护电压是一个范围值，且变化范围大。这会导致电池在充满电时无法及时切断电流，导致过充。一般会将BMS的保护电压值设计成与电芯上限电压值相同或略低。
过流充电保护：用超过充放电限值的电流对电池进行充电会导致热量堆积，当热量堆积到能融化隔膜时，就会导致内短路。所以及时的过流充电保护也是也是必不可少的。在设计时还需要注意保护电路的过流保护值不要高于电芯的耐受电流。
欠压放电保护：电压过大过小都会损害电池性能。持续的欠压放电会导致负极铜材料析出，负极坍塌。所以一般电池也会有欠压放电保护功能。
过流放电保护：大部分的保护板充放电是通过同一个接口进行的，此时充放电的保护电流是一致的。但是有的电池，特别是电动工具，快充等类型电池需要用到大电流放电或大电流充电，此时充放电电流不一致，所以最好充放电是两个回路控制。
短路保护：电池的短路也是电池最易出现的故障之一。一些碰撞，误用，挤压针刺，进水等都容易诱发短路。短路会瞬间会产生大电流放电，引发电池温度急剧上升。同时，发生外部短路后通常在电芯内部也会发生一系列电化学反应，进而引发一系列放热反应。短路保护其实也是过流保护的一种，但是短路的电流会无限大，产生的热与危害也是无限大，所以保护必须要很灵敏，自动触发。常用的短路保护措施有接触器，熔断器，Fuse和MOS等。
过温保护：电池对环境温度积极敏感，温度过高或过低都会影响其性能。所以让电池始终在限值温度内工作尤为重要。BMS应该具有温度保护功能，在温度过高或过低时及时停止电池工作。甚至还可以细分为充电温度保护/放电温度保护等。
均衡功能：对于笔记本等多串电芯电池，由于生产过程中存在差异，电芯之间存在不一致性，如有的电芯内阻较大。这种不一致性会随着时间的推移，外界环境的影响而逐渐恶化。所以需要有均衡管理功能对电芯实施均衡。一般有两种均衡方式：
1. 被动均衡：使用硬件，比如电压比较器，再用电阻散热的方式将高容量电池多出的电量释放。但能耗较大，均衡速度慢，效率低。
2. 主动均衡：主要通过电容存储电压较高的电芯电量，再释放给电压较低的电芯，但当相邻电芯压差小时，均衡时间长，可以更灵活设置均衡的电压阈值。
标准验证
最后，如果电池产品要顺利进入国际/国内市场，还需要满足对应的标准测试，才能保证锂电池的应用安全。从电芯到电池，再到最后的整机都有对应的测试标准。本文将重点介绍国内电子信息类产品对于电池保护的要求。
GB 31241-2022
此标准为便携式电子设备电池的标准。此标准对于保护的考虑主要在5.2安全工作参数，10.1~10.5电池组保护电路安全要求，11.1~11.5系统保护电路安全要求（当电池自身不带保护情况下使用），12.1和12.2一致性型式试验，以及附录A（资料性） 。
5.2 的要求为电池和电芯参数的匹配性要求，可以理解为电池的工作参数不应超过内部电芯的参数范围；但电池的保护参数是否需要确保电池的工作参数不超过电芯给出的工作范围？目前会有不同的理解，但从电池的设计安全角度考虑，保护参数是应确保电池的工作参数不应超过电芯的范围，如，电芯的最大充电电流为3000mA，电池的最大工作电流应不超过3000mA，电池的保护电流也应确保在充电过程中电流不会超过3000mA，这样才能做到有效保护，避免危害。对于保护参数的设计示例可以参考附录A，附录A同时考虑了电芯-电池-终端设备使用时候的参数设计，较为全面。
对于自身带有保护电路的电池需要进行10.1~10.5电池组保护电路安全试验。此章主要考察过压充电保护、过流充电保护、欠压放电保护、过流放电保护与短路保护。这些在上述“功能安全设计”中都有提到，属于功能安全设计的基本要求。GB 31241中会考察这些功能动作500次。
如果自身不带保护电路的电池，由其充电器或者设备保护，则要进行11.1~11.5系统保护电路安全试验，需要外接保护装置一起进行测试。主要考察充/放电电压控制、充/放电电流控制、充放电温度控制这几项。值得注意的是，对比自身带保护电路的电池，不带保护电路的电池在实际使用时只能依靠设备的保护，危险性较高，所以在标准测试的时候会在正常工作与单故障条件下分别测试。这就强制终端设备必须有双重保护，否则是通过不了11章节的试验。
最后，如果电池里面有多串电芯，则还需要考虑不平衡充电的现象。需要进项12章的一致性试验。这里主要考察保护板的均衡功能、压差保护更能。对于单电芯电池则不需要此功能。
GB 4943.1-2022
此标准是音视频类产品的标准。随着使用电池供电的电子产品日益增多，新版GB 4943.1-2022在附录 M中对电池给出了具体的要求，评估带有电池组及其保护电路的设备。在对电池组保护电路进行评估的基础上，也增加了对包含二次锂电池组的设备的附加安全防护要求。
u 对于二次锂电池保护电路主要考察过充电、过放电、反向充电、充电安全防护（温度）、短路防护等。需要注意的是这些试验都需要对保护电路进行单一故障。而此要求在电池标准GB 31241里并没有被提及。所以在设计电池保护功能的时候还需要结合电池与终端的标准要求。如果电池组只有一重保护，且无冗余器件，或者电池组没有保护电路，保护电路仅由设备提供，则应该带整机进行此部分测试。
总结
总的来说，要设计一款安全的电池，除了本身材料的选择，后续的结构设计与功能安全设计同样重要。虽然不同的标准对于产品有不同的要求，但如果能全面考虑电池设计的安全性，满足不同市场的要求，则可以大大减少认证周期，加速产品进入市场。除了结合不同国家、地区的法律、法规、标准，还需要结合电池在终端产品中的实际使用情况来设计产品。
