基于标准符合性的移动电源安全设计

柯礼 王粤威 胡永乐 赵海波 汪顺祥



基于标准符合性的移动电源安全设计

柯礼 王粤威 胡永乐 赵海波 汪顺祥

（珠海出入境检验检疫局）

智能手机和平板电脑的普及，使人们对电池的消费需求不断提高，移动电源应运而生。但其质量良莠不齐，给消费者的选择带来许多困惑。劣质的移动电源不仅性能差，还存在安全隐患。移动电源的安全受其内部的电压、电流和外部的温度、振动等诸多因素影响。设计时若考虑不周，可能导致性能损失，甚至引起起火、爆炸等。基于移动电源的工作原理和结构，对影响移动电源安全的因素进行深度剖析，并针对性地提出相应的解决方案。

移动电源；结构；安全设计；电池配组

0　引言

国家标准GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》实施后，移动电源的安全特性必须符合该标准的相关要求。构建符合安全特性要求的移动电源产品既是对消费者的负责，也是产品持续发展的前提。

1　移动电源的工作原理

移动电源是集储电、降压、升压和充放电管理于一体的便携式设备。简单的移动电源由电池组、升压系统、降压系统和输入输出接口构成，其基本结构如图1所示。

图1　移动电源工作原理示意图

其中锂离子电池组是核心部件，主要用于电能储存。输入和输出接口通常采用USB接口，输入和输出电压均为5 V。锂电池的充电限制电压一般为4.2 V，因此在输入回路需要降压系统，以避免充电电压过高。在对外供电时，锂电池的工作电压一般处于3.0 V～4.2 V之间，因此又需要升压系统将电压升至5 V，以满足USB的输出规范，并与负载匹配。

2 影响移动电源安全的因素

本文描述的安全是指对标准GB 31241的符合性。根据该标准要求，可将影响移动电源安全的因素归纳为5个方面：

1)电池的安全特性，如泄压装置、薄弱环节设计等，各个单体电池之间存在一定的差异性；

2)工作时电池的电压条件和电流条件，包括充电电压过高、放电电压过低、电流过大等，电池的短路是大电流的极端表现；

3)热散发条件，直接影响移动电源的工作温度，由外壳的材料与结构等因素决定；

4)电池配组的影响，在构造大容量移动电源时，需要将多个电池采用串联或并联的方式予以集成。研究表明[1-4]，电池的一致性将直接影响串联或并联结构的效率、寿命等多方面特性，差异大时甚至会引发安全问题。其一致性主要表现在电压、内阻、容量等参数上。值得注意的是，一致性好的电池在使用一段时间后也可能产生差异；

5)存放和使用环境的影响，通常来自于存放和使用条件，包括气压变化、温度变化、振动、应力、跌落和冲击等。

前4个影响因素来自于移动电源内部，存放和使用环境的影响则来自于外部。

3　移动电源的安全设计

移动电源的安全设计基于影响其安全的因素，并分为内、外部因素分别予以处理。通过材料选取、结构设计、电路设计等，对内部风险点逐个予以消除或降低风险。对外部环境的影响采取隔断措施或缓解措施，将外部影响有效降低。本文以构造一个容量为10000 mAh的移动电源为例子，分析设计要点。

3.1电池的选取和配对组合

电池依据个体的安全特性及性能参数（电压、内阻、容量）进行选取。标准GB 31241对电池和电池组均提出了相应的安全要求，作为移动电源的元件，电池应以符合该标准为前提。标准要求电池厂商提供电池的认证或测试报告，并对原料进行抽检，以实现电池安全特性的有效控制。

性能参数的选取基于电池配组的要求，注重一致性。参考行业内共识，本文样品将配组电池70%容量时的电压差异控制在5 mV以内，内阻值差异控制在5 mΩ以内，容量则控制在50 mAh以内。

电池组配组时考虑以下原则：

1)配组电池个数尽可能少，串并联结构引入新的风险点，由于遵循短板理论，性能也会下降，当容量要求必须进行串并联配组时，则配组的电池数目应尽可能少；

2)采用并联结构，电压、内阻和容量对电池并联结构的影响低于串联结构，同样的差异条件下，采用并联结构对移动电源的安全和性能均有所提升；

3)作为配组元件的电池，尽量使用同一制造商、同一型号、同一批次的电池，以避免出现因材料不同或生产工艺不同而进一步导致老化差异。

从性价比出发，选择符合GB 31241标准的18650型锂离子电池，经实测筛选4颗（容量为2600 mAh）进行分组配对，采用并联结构方式连接。

3.2控制电路的安全设计

电池对电压、电流和温度敏感，且受其他因素的影响也体现于这3个参数。因此控制电路的安全防护机制本质上是对这3个参数进行实时测量，并根据测得值对工作回路进行控制。由于电子元器件被视为不可靠的器件，因此需考虑两重或以上的防护方式。根据其作用机理，可行的方案可分为软件控制和硬件保护2种。本设计采用以软件控制作为第一重保护，硬件保护为第二重保护的方案。

3.2.1基于单片机或可编程逻辑芯片的软件控制

使用单片机或专用的处理芯片，可构造电压、电流和温度的实时监控电路。根据测得的数据，对电池回路予以接通和切断。参照标准GB/T 18287[5]，并从安全角度考虑冗余设计，将单体锂离子电池的充电电压限值设定为4.2 V，放电终止电压设定为3.0 V。电流的控制则根据设计的输出条件和线路、电池的承载能力予以设定。

电压检测的采样电路如图2所示，“B+”为电池正极，“BAT-V”连接至单片机I/O接口。单片机通过软件访问I/O接口，可获得当前的电池端正极相对于地（电池负极）的电压值，实现电压的测量。

图2　电源端电压测量

在电池回路串入开关器件，并由单片机的输出信号对其进行控制，以实现工作回路的软件接通和切断功能。开关控制电路如图3所示，Q1、Q2为CMOS开关器件，PWM0和PWM1连接单片机。单片机向PWM0和PWM1提供的电平值，决定Q1、Q2处于接通或断开状态。当Q1、Q2处于断开状态时，电池正极仅与单片机和滤波电路连通，与电路的其他部分断开。

同理，在输入输出回路上采样，实现电流的测量。将温度传感器粘贴于电池表面，实现温度信息的采集。

在上述硬件电路的基础上，编写相应的软件，实现电压、电流和温度信息的轮询和监控，必要时切断电路，其典型流程如图4所示。

图3　开关控制电路

图4　典型的参数监控流程

3.2.2硬件防护设计

硬件的防护可通过专用的集成电路或特定的电路结构予以实现。将专用的锂电池保护集成电路芯片，如DW01 plus、DW02D等，串接于电池或其串并联结构的工作回路，可实现电压、电流的保护。当电压过高或过低、电流过大时，触发芯片动作，电路将被切断；当动作条件解除后，电路恢复接通。

过流和过压保护电路如图5所示，本文采用DW01 plus搭配贴片MOS开关器件（U2、U3），构造过压、过流保护电路。

当过流或过压情况出现时，DW01 plus的OC、OD引脚将出现相应的触发电平，该电平连接开关器件，使开关器件发生相应的动作，以切断工作回路。

图5　过流和过压保护电路

温度保护设计可通过温度保护器件予以实现，如PTC、热断路器等。将保护器件串联至电池的工作回路，并安装于热敏感点上。其中，PTC器件通过随温度升高增加回路阻抗的方式抑制温度上升，实现保护。热断路器则在温度达到设定值时切断回路，实现保护。

实验证明，温度保护的有效性与安装的位置、温度传递的有效性密切相关。保护器件的安装位置尽可能贴近电池端，并尽可能使保护器件与电池之间实现良好的温度传递。

目前市场上大部分的移动电源考虑了电压、电流的控制和保护，而实施温度保护设计的产品尚不多见。鉴于电池产品燃烧和爆炸的条件形成与其内外部的温度有着密不可分的联系，有效的温度保护设计可提高该类产品的安全系数。本文采用热断路器作为温度保护器件，串接于电源正极端，并紧贴电池表面。

3.3外壳安全设计

移动电源因其所处环境不同，可能承受低气压、高温、低温、跌落、冲击和振动等影响。便携式电池产品的安全标准，如GB 31241、UL 2054、UN38.3等[6-7]，就是根据上述可能出现的情况规定了其测试方法和判定条件。适当的外壳设计可增强移动电源对外界环境的适应能力。结合相关标准要求，外壳的设计主要考虑以下因素：

1)针对电路板和电池外形设计有效的定位槽，配合螺钉、隔板使电路板和电池可靠定位。市场上有部分移动电源样品在进行电池的振动试验时出现散架现象，其原因在于上下外壳之间的连接固定不可靠，且电池定位装置设计不合理。鉴于电池对压力的敏感性，不建议采用过盈配合的形式定位。

2)外壳与电池之间设置缓冲软垫。在电池和外壳之间使用软垫和胶质材料填充，形成有效的缓冲层，吸收部分来自于跌落、振动和冲击等情况形成的能量，降低实际承受的能量冲击。

3)外壳的材料选取耐高温（＞100℃）和阻燃性能（HB级以上）良好的塑料。移动电源可能暴露于高温场合，如放置于车内，耐热性不足可能导致外壳的变形，从而使得电池及其工作电路暴露，进一步导致短路等危险现象出现。同时，因为某些原因导致电池在发生燃烧和爆炸等危险情况时，阻燃性能良好的外壳可实现一定的隔断和延缓其危害扩散的作用。

4)在电池外壳4个角加支撑柱，在不增加外壳厚度的情况下，适当增强移动电源整体的机械强度。

4　结语

本文对影响移动电源安全的因素进行了剖析，并针对性地提出了相应的解决方案。移动电源安全设计必须具备以下特征：

1)注重电池的安全特性，源于采购的电池通过索取报告、认证证书的方式获得对电池安全的承诺；结合来料抽样检测，对其安全特性进行控制；

2)基于参数实测的电池筛选和优化的配组结构，有效降低电池配组带来的安全风险；

3)软硬件结合，覆盖电压、电流和温度的多重保护措施；

4)合理的外壳设计，有效改善移动电源产品对环境的适应性，有助于提高产品的整体安全性能。

参考文献

[1] 莫治波,茅宁,梅金辉,等.电压一致性对锂离子电池串联使用的影响[J].电源技术,2014,38(5):826-827,934.

[2] 何鹏林,乔月.多芯锂离子电池组的一致性与安全性[J].电池,2010,40(3):161-163,126.

[3] 周显茂,张郑,袁昌杰.锂离子电池并联研究[J].广州化工,2010,38(3):112-113.

[4] 于申军,周永超,李贺,等.内阻差异对锂离子电池组安全性能的影响[J].化工学报,2010,61(11): 2960-2964.

[5] GB/T 18287-2013.移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范[S].北京:中国国家标准化管理委员会,2013.

[6] GB 31241-2014.便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求[S].北京:中国国家标准化管理委员会,2014.

[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

柯礼，男，1980年生，理学硕士，机电工程师。主要研究方向：电气安全检测与设计。E-mail: 79075727@qq.com