鋰電池智能充電管理與電路保護(hù)設(shè)計(jì)

經(jīng)常關(guān)注筆記本市場(chǎng)的網(wǎng)友，一定對(duì)2006發(fā)生的索尼電池召回事件印象深刻。作為全球第二大筆記本電池生產(chǎn)廠商，索尼在06年短短4個(gè)月的時(shí)間里，對(duì)電池的召回?cái)?shù)量就接近1000萬(wàn)。而在全球筆記本搭配的鋰電池中，索尼生產(chǎn)的電池市場(chǎng)占有率高達(dá)25%，因此此次事件的負(fù)面影響很大。在隨后的幾年中多家知名電腦公司規(guī)模巨大的召回行動(dòng)，更加重了消費(fèi)者對(duì)鋰電池安全性的擔(dān)憂(yōu)和思考。

隨著便攜式設(shè)備不斷小型化、輕量化和高性能化的日益提高，作為其電源的二次電池市場(chǎng)正迅速拓寬，而鋰離子電池的眾多優(yōu)點(diǎn)使其成為了二次電池的主流產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋰離子電池的全球需求已達(dá)13億只，并隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，這一數(shù)據(jù)在逐年遞增。正因如此，隨著鋰離子電池在各個(gè)行業(yè)用量的迅速激增，電池的安全性能也日益突出，不僅要求鋰離子電池具有優(yōu)異的充、放電性能，還要求具有更高的安全性能。

那鋰電池到底為什么發(fā)生起火甚至爆炸呢，有什么措施可以避免和杜絕嗎?電子元件技術(shù)網(wǎng)精心搜集和整理社區(qū)內(nèi)鋰電池技術(shù)文章，此次本月談聚焦鋰電池智能充放電管理和電路保護(hù)設(shè)計(jì)，涉及鋰電池材料結(jié)構(gòu)、鋰電池工作原理、鋰電池智能充放電管理、鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)等多個(gè)方面，解析鋰電池制造工藝、散熱設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)技巧對(duì)產(chǎn)品安全性的影響，結(jié)合鋰電池在電動(dòng)車(chē)保護(hù)電路設(shè)計(jì)案例，幫助工程師解決設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

如筆記本電池爆炸，不僅同其中所用的鋰電池電芯的生產(chǎn)工藝有關(guān)，也同電池內(nèi)封裝的電池保護(hù)板、筆記本電腦的充放電管理電路以及筆記本的散熱設(shè)計(jì)有關(guān)。筆記本電腦不合理的散熱設(shè)計(jì)和充放電管理，將使電池電芯過(guò)熱，從而大大增加了電芯的活性，同時(shí)增加了爆炸、燃燒的幾率。

鋰電池材料構(gòu)成及性能探析

首先我們來(lái)了解一下鋰電池的材料構(gòu)成，鋰離子電池的性能主要取決于所用電池內(nèi)部材料的結(jié)構(gòu)和性能。這些電池內(nèi)部材料包括負(fù)極材料、電解質(zhì)、隔膜和正極材料等。其中正、負(fù)極材料的選擇和質(zhì)量直接決定鋰離子電池的性能與價(jià)格。因此廉價(jià)、高性能的正、負(fù)極材料的研究一直是鋰離子電池行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

負(fù)極材料一般選用碳材料，目前的發(fā)展比較成熟。而正極材料的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為制約鋰離子電池性能進(jìn)一步提高、價(jià)格進(jìn)一步降低的重要因素。在目前的商業(yè)化生產(chǎn)的鋰離子電池中，正極材料的成本大約占整個(gè)電池成本的40%左右，正極材料價(jià)格的降低直接決定著鋰離子電池價(jià)格的降低。對(duì)鋰離子動(dòng)力電池尤其如此。比如一塊手機(jī)用的小型鋰離子電池大約只需要5克左右的正極材料，而驅(qū)動(dòng)一輛公共汽車(chē)用的鋰離子動(dòng)力電池可能需要高達(dá)500千克的正極材料。

盡管從理論上能夠用作鋰離子電池正極材料種類(lèi)很多，常見(jiàn)的正極材料主要成分為 LiCoO2，充電時(shí)，加在電池兩極的電勢(shì)迫使正極的化合物釋出鋰離子，嵌入負(fù)極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中。放電時(shí)，鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出，重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動(dòng)產(chǎn)生了電流。這就是鋰電池工作的原理。

鋰電池充放電管理設(shè)計(jì)

鋰電池充電時(shí)，加在電池兩極的電勢(shì)迫使正極的化合物釋出鋰離子，嵌入負(fù)極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中。放電時(shí)，鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出，重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動(dòng)產(chǎn)生了電流。原理雖然很簡(jiǎn)單，然而在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，需要考慮的實(shí)際問(wèn)題要多得多：正極的材料需要添加劑來(lái)保持多次充放的活性，負(fù)極的材料需要在分子結(jié)構(gòu)級(jí)去設(shè)計(jì)以容納更多的鋰離子;填充在正負(fù)極之間的電解液，除了保持穩(wěn)定，還需要具有良好導(dǎo)電性，減小電池內(nèi)阻。

雖然鋰離子電池有以上所說(shuō)的種種優(yōu)點(diǎn)，但它對(duì)保護(hù)電路的要求比較高， 在使用過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格避免出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電現(xiàn)象，放電電流也不宜過(guò)大，一般而言，放電速率不應(yīng)大于0.2C。鋰電池的充電過(guò)程如圖所示。在一個(gè)充電周期內(nèi)， 鋰離子電池在充電開(kāi)始之前需要檢測(cè)電池的電壓和溫度， 判斷是否可充。如果電池電壓或溫度超出制造商允許的范圍， 則禁止充電。允許充電的電壓范圍是：每節(jié)電池2.5V~4.2V。

在電池處于深放電的情況下，必須要求充電器具有預(yù)充過(guò)程，使電池滿(mǎn)足快速充電的條件;然后，根據(jù)電池廠商推薦的快速充電速度，一般為1C，充電器對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，電池電壓緩慢上升;一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓(一般為4.1V或4.2V)，恒流充電終止，充電電流快速衰減，充電進(jìn)入滿(mǎn)充過(guò)程;在滿(mǎn)充過(guò)程中，充電電流逐漸衰減，直到充電速率降低到C/10以下或滿(mǎn)充時(shí)間超時(shí)時(shí)，轉(zhuǎn)入頂端截止充電; 頂端截止充電時(shí)，充電器以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量。頂端截止充電一段時(shí)間后，關(guān)閉充電。

鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

由于鋰離子電池的化學(xué)特性，在正常使用過(guò)程中，其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng)，但在某些條件下，如對(duì)其過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流將會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng),該副反應(yīng)加劇后，會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導(dǎo)致安全問(wèn)題，因此所有的鋰離子電池都需要一個(gè)保護(hù)電路，用于對(duì)電池的充、放電狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對(duì)電池發(fā)生損害。

鋰離子電池保護(hù)電路包括過(guò)度充電保護(hù)、過(guò)電流/短路保護(hù)和過(guò)放電保護(hù)，要求過(guò)充電保護(hù)高精密度、保護(hù)IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。下面的文章將詳細(xì)介紹了這三種保護(hù)電路的原理、新功能和特性要求，對(duì)工程師設(shè)計(jì)和研發(fā)保護(hù)電路有參考價(jià)值。

鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)案例分享

以鋰電池為供電電源的電路設(shè)計(jì)中, 要求將越來(lái)越復(fù)雜的混合信號(hào)系統(tǒng)集成到一個(gè)小面積芯片上, 這必然給數(shù)字、模擬電路提出了低壓、低功耗問(wèn)題。在功耗和功能的制約中, 如何取得最佳的設(shè)計(jì)方案也是當(dāng)前功耗管理技術(shù)( PowerManagement, PM ) 的一個(gè)研究熱點(diǎn)。另一方面, 鋰電池的應(yīng)用也極大地推動(dòng)了相應(yīng)電池管理、電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。鋰電池應(yīng)用時(shí)必須要有復(fù)雜的控制電路, 來(lái)有效防止電池的過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流狀態(tài)。

從電動(dòng)自行車(chē)能源轉(zhuǎn)變趨勢(shì)論述了采用超低功耗、高性能MSP430F20X3設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車(chē)的鋰電池充、放電保護(hù)電路的方案。該方案從系統(tǒng)架構(gòu)、充放電電路、檢測(cè)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)的每一個(gè)細(xì)節(jié)論述設(shè)計(jì)的全過(guò)程，為電動(dòng)自行車(chē)電源的設(shè)計(jì)者提供了比較全面的參考。