深入剖析鋰電池保護(hù)電路工作原理

時(shí)間：2021-10-25 14:49:15

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[導(dǎo)讀]1.鋰離子電池介紹鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中，Li在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌，充電時(shí)，Li從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。鋰離子電池電壓范圍2.8V~4.2V，典型電壓3.7V...

1. 鋰離子電池介紹

鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中，Li 在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌，充電時(shí)，Li 從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。

鋰離子電池電壓范圍2.8V~4.2V，典型電壓3.7V，低于2.8V或者高于4.2V，電池都會(huì)有損壞風(fēng)險(xiǎn)。

2. 1C和0.1C的概念

電池容量的單位是mAh，C指的是電池充放電的倍率，比如一個(gè)2000mAh的電池，以1C放電指的是放電電流大小為2000mA，0.1C為200mA，充電也是同樣的道理。

3. 鋰離子電池的優(yōu)缺點(diǎn)

鋰離子電池的主要優(yōu)點(diǎn)：

鋰離子電池電壓高，能量密度高；
循環(huán)壽命長(zhǎng)，一般可循環(huán)500，甚至達(dá)到1000次以上；
自放電小，室溫下充滿(mǎn)電的Li-ion儲(chǔ)存1個(gè)月后的自放電率為10%左右；
可快速充電，1C充電時(shí)容量可以達(dá)到標(biāo)稱(chēng)的80%；
工作溫度范圍寬，一般為-25~45°C，后面有望突破-40-70°C；
沒(méi)有Ni-Cd、Ni-Mh一樣的記憶效應(yīng)，在充電前不必將剩余電量用完；
相比較Ni-Cd、Ni-Mh來(lái)說(shuō)環(huán)保無(wú)污染（不含鎘，汞等重金屬）；

鋰離子電池的主要缺點(diǎn)：

成本高；
需要加保護(hù)電路板，包括過(guò)充和過(guò)放保護(hù)；
不能大電流放電，一般放電電流在0.5C以下，過(guò)大的電流導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱；
安全性差，容易爆炸、起火。

4. 鋰電池和鋰離子電池的區(qū)別

鋰電池和鋰離子電池是兩個(gè)不同的概念，主要有如下的區(qū)別：

鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負(fù)極是鋰；
鋰離子電池是以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過(guò)程中，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子；
鋰電池也稱(chēng)一次鋰電池，可以連續(xù)放電，也可以間歇放電，一旦電能耗盡便不能再用，不能進(jìn)行充電；
鋰離子電池也稱(chēng)二次鋰電池，可以充放電；

5. 鋰離子電池充電模式

鋰離子電池理想充電模式被稱(chēng)為CC CV模式，即恒流恒壓模式。如下的圖形中，灰色為電池電壓，綠色為充電電流，紅色為電池容量。在電池電壓低時(shí)，電池以固定的恒定電流進(jìn)行充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到4.2V時(shí)，會(huì)由恒流模式切換到恒壓模式，因?yàn)殡姵氐碾妷翰蝗菰S超過(guò)4.2V，所以系統(tǒng)會(huì)逐漸減小充電電流，直到接近于0；當(dāng)電池電壓為4.2V，且充電電流為0，代表電池已充滿(mǎn)電。

鋰離子電池CC CV模式為了保證電池的絕對(duì)安全，實(shí)際的充電模式會(huì)更細(xì)化，對(duì)于不確定的電池上來(lái)就按照恒流進(jìn)行充電，會(huì)給電池造成更大的損壞。

測(cè)試模式，當(dāng)電池電壓低于2V時(shí)，會(huì)以很小的電流，對(duì)電池進(jìn)行喚醒；
涓流充電，也叫預(yù)充模式，當(dāng)電池電壓處于2V~3V之間時(shí)，會(huì)以恒流充電的1/10或者1/20電流大小進(jìn)行預(yù)充；
恒流充電，當(dāng)電池電壓升至3V以上時(shí)，會(huì)以恒流模式對(duì)電池快速充電；
恒壓充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到4.2V時(shí)，會(huì)以恒壓模式對(duì)電池進(jìn)行充電；

像TI的方案，在電池電壓為4.2V，充電電流較低但不為0，約為恒流充電電流的1/10時(shí)，停止充電，這時(shí)候電池電壓會(huì)降低到4.16V或者4.17V；鋰離子電池充電的三個(gè)階段

6. 為什么鋰離子電池充電截止電壓是4.2V

下圖是電池的循環(huán)壽命和充電截止電壓的關(guān)系圖，在電池最初的周期中，充電到略高的電壓會(huì)得到更高的單周期電量，但只會(huì)存在一小段時(shí)間。當(dāng)電池的充電電壓比推薦的4.2V最高電壓還要高50mV或100mV時(shí)，由于每個(gè)周期都會(huì)略微過(guò)度充電，因此電池的老化速度會(huì)大大加快。總結(jié)一句話(huà)就是：電池的充電截止電壓高于4.2V，電壓越高，循環(huán)壽命越短，且電池容量下降越快。鋰離子電池循環(huán)壽命和充電截止電壓的關(guān)系

7. 鋰離子電池放電曲線(xiàn)

如下是鋰離子電池在不同放電電流下的放電曲線(xiàn)，可以看出：放電電流越大，電池的容量下降越快，容量越低，電池的標(biāo)稱(chēng)容量使用越不充分。電池容量越低時(shí)，電池的內(nèi)阻相應(yīng)會(huì)增加較多，比較大的電流進(jìn)行放電時(shí)，內(nèi)阻增長(zhǎng)的比較快。
鋰離子電池不同放電電流下的放電曲線(xiàn)從不同溫度下的電池放電曲線(xiàn)可以看出：溫度越低，電池容量下降越快，放電越不充分。電池的溫度在0度以下，內(nèi)部活性成分很弱，內(nèi)阻會(huì)相應(yīng)的變大；過(guò)高的溫度對(duì)電池也有損壞。鋰離子電池不同溫度下的放電曲線(xiàn)

8. 鋰離子電池循環(huán)次數(shù)

在實(shí)際中，每當(dāng)累積的放電容量等于設(shè)計(jì)容量時(shí)，則記為循環(huán)一次。鋰離子電池循環(huán)壽命國(guó)標(biāo)規(guī)定鋰離子電池的循環(huán)壽命測(cè)試條件及要求：在25度室溫條件下以1C充電150分鐘，以恒流1C的放電電流放到2.75V截止為一次循環(huán)。當(dāng)有一次放電時(shí)間小于36分鐘時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，循環(huán)次數(shù)必須大于300次。

這個(gè)定義規(guī)定了循環(huán)壽命的測(cè)試是以深充深放方式進(jìn)行的；
規(guī)定了循環(huán)壽命按照這個(gè)模式執(zhí)行后必須超過(guò)300次以后容量仍然有60%以上；

9. 鋰離子電池工作電壓范圍

鋰離子電池的工作電壓有一個(gè)范圍，不同電芯廠(chǎng)家制造會(huì)有所不同，但是差別不大。鋰離子電池電壓范圍
10.剖析鋰電池保護(hù)電路的工作原理

舉一個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦樱姵氐某浞烹娋拖窈⒆雍饶溉橐粯印?/span>
1，如果一直讓孩子喝，家長(zhǎng)不加以控制，那么這個(gè)奶可能會(huì)被喝光，類(lèi)似電池過(guò)放；
2，如果家長(zhǎng)一直不給孩子喝奶，這個(gè)奶就會(huì)積攢越來(lái)越多，類(lèi)似電池過(guò)充；3，如果孩子喝奶喝的急，容易嗆奶，類(lèi)似電池的過(guò)電流保護(hù)；
科學(xué)喝奶，規(guī)律喝奶，需要家長(zhǎng)的監(jiān)督，那電池如何做到科學(xué)充電和放電呢？
鋰電池都有一個(gè)使用的安全電壓區(qū)間，最高和最低電壓一般被稱(chēng)為充放電終止電壓或截止電壓，當(dāng)電池的實(shí)際工作電壓長(zhǎng)時(shí)間低于放電終止電壓或者長(zhǎng)時(shí)間高于充電終止電壓時(shí)，電池內(nèi)部將發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的傷害，嚴(yán)重傷害電池，導(dǎo)致性能下降，俗稱(chēng)電池衰減，電池衰減的表現(xiàn)就是電池的內(nèi)阻增大，容量下降等。
所以一般鋰離子電池內(nèi)部會(huì)有一個(gè)小的PCB板，和電池封裝在一起，如下圖所示，主要作用就是用來(lái)保護(hù)電池。

紅色框選部分為電池保護(hù)板
這個(gè)電路板根據(jù)組成電路不同，一般會(huì)有過(guò)放保護(hù)、過(guò)充保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)以及控制IC失效之后的FUSE保護(hù)這幾種，下面會(huì)以一個(gè)常見(jiàn)的電路，講解這幾種保護(hù)的工作原理。

11.鋰電池保護(hù)板組成
一般的鋰電池保護(hù)板由控制IC、MOS管、電阻電容、保險(xiǎn)絲FUSE等組成，如下圖所示。
常見(jiàn)的鋰電池保護(hù)板電路圖
TH為溫度檢測(cè)，內(nèi)部是一個(gè)10K NTC接到電池負(fù)極；ID是電池在位檢測(cè)，一般是47K/10K電阻接到電阻負(fù)極，有的是0R電阻；TH和ID均是選配，并不是所有鋰電池都有的。

接著根據(jù)上面這么電路，來(lái)看一下如下幾種保護(hù)的工作原理吧！

12.過(guò)充保護(hù)
電池充電時(shí)，電流（方向如箭頭所示）從電池包的正極流入，經(jīng)過(guò)FUSE后從負(fù)極流出，最下方的兩個(gè)MOS管均是導(dǎo)通狀態(tài)。
電池充電時(shí)電流方向如箭頭所示
充電時(shí)，控制IC X1會(huì)時(shí)刻監(jiān)測(cè)第5腳VDD和第6腳VSS之間的電壓，當(dāng)這個(gè)電壓大于等于過(guò)充截止電壓且滿(mǎn)足過(guò)充電壓的延時(shí)時(shí)間時(shí)，X1會(huì)通過(guò)控制第3腳來(lái)關(guān)閉MOS管Q2，Q2被關(guān)閉之后，充電回路被切斷（Q2的體二極管D2也是反向截止的），這個(gè)時(shí)候，電池只能放電。
過(guò)充保護(hù)解除條件（滿(mǎn)足其一即可）：1，電芯兩端的電壓下降到保護(hù)IC的過(guò)充恢復(fù)電壓。2，在電池包得輸出端加負(fù)載放電，放電到電壓小于過(guò)充保護(hù)電壓。
13.過(guò)放保護(hù)
在電池包兩端加負(fù)載放電時(shí)，電流（方向如箭頭所示）與充電是相反的，如下圖所示。
電池放電時(shí)電流方向如箭頭所示
放電時(shí)，控制IC X1同樣會(huì)時(shí)刻監(jiān)測(cè)第5腳VDD和第6腳VSS之間的電壓，當(dāng)這個(gè)電壓小于等于過(guò)放截止電壓且達(dá)到過(guò)放電壓的延時(shí)時(shí)間，控制IC X1會(huì)通過(guò)第1腳關(guān)閉Q1，Q1被關(guān)閉之后，放電回路被切斷（Q1的體二極管D1是反向截止），這個(gè)時(shí)候，電池只能充電。
過(guò)放保護(hù)解除條件：拿掉負(fù)載，給電池包充電，當(dāng)VM-VDD之間的電壓達(dá)到過(guò)放恢復(fù)電壓值時(shí)，控制IC X1會(huì)重新打開(kāi)MOS管Q1。
14.過(guò)流保護(hù)/短路保護(hù)
過(guò)流保護(hù)指的是過(guò)放電流的保護(hù)，一般的控制IC有過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)兩種，控制IC時(shí)刻監(jiān)測(cè)VSS-VM之間的電壓值，當(dāng)電壓值達(dá)到過(guò)流保護(hù)或者短路保護(hù)的閾值且滿(mǎn)足延時(shí)時(shí)間，控制IC會(huì)將MOS管Q1關(guān)閉，切斷放電回路。
電池放電時(shí)電流方向如箭頭所示
過(guò)電流保護(hù)解除的條件是：將輸出端負(fù)載拿掉，控制IC會(huì)自動(dòng)將Q1重新打開(kāi)。
過(guò)流保護(hù)的電壓值一般是0.1~0.2V，短路保護(hù)檢測(cè)的電壓值一般是0.9V~2V，這兩個(gè)值都與控制IC有關(guān)系，不同的IC，這兩個(gè)值不一樣。
短路保護(hù)電壓值指的是電流流經(jīng)Q1和Q2上的導(dǎo)通壓降，即可以得出，如果MOS管的導(dǎo)通內(nèi)阻越大，保護(hù)電流值就越小。如：內(nèi)阻為20mΩ的MOS管，選用的過(guò)電流值為0.15V的控制IC，那過(guò)流保護(hù)的電流應(yīng)為：0.15V/（0.02*2）=3.75A。

15.控制IC失效之后的FUSE保護(hù)
有的保護(hù)板里面會(huì)加上保險(xiǎn)絲，在控制IC失效之后，起到一個(gè)二級(jí)保護(hù)作用，避免更壞的結(jié)果，當(dāng)然也會(huì)增加成本。

—END—