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

關(guān)鍵字：鋰電池保護(hù)電路

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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)來工作。在充放電過程中，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)來工作。在充放電過程中，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，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來說環(huán)保無污染（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，包括過充和過放保護(hù)；
不能大電流放電，一般放電電流在0.5C以下，過大的電流導(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，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子；
鋰電池也稱一次鋰電池，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)略微過度充電，因此電池的老化速度會(huì)大大加快。總結(jié)一句話就是：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

如下是鋰離子電池在不同放電電流下的放電曲線，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)阻增長的比較快。
鋰離子電池不同放電電流下的放電曲線從不同溫度下的電池放電曲線可以看出：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

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，家長不加以控制，那么這個(gè)奶可能會(huì)被喝光，類似電池過放；
2，如果家長一直不給孩子喝奶，這個(gè)奶就會(huì)積攢越來越多，類似電池過充；3，如果孩子喝奶喝的急，容易嗆奶，類似電池的過電流保護(hù)；
科學(xué)喝奶，規(guī)律喝奶，需要家長的監(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)際工作電壓長時(shí)間低于放電終止電壓或者長時(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)有過放保護(hù)、過充保護(hù)、過流保護(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，來看一下如下幾種保護(hù)的工作原理吧！

12.過充保護(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)電壓大于等于過充截止電壓且滿足過充電壓的延時(shí)時(shí)間時(shí)，X1會(huì)通過控制第3腳來關(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。
過充保護(hù)解除條件（滿足其一即可）：1，電芯兩端的電壓下降到保護(hù)IC的過充恢復(fù)電壓。2，在電池包得輸出端加負(fù)載放電，放電到電壓小于過充保護(hù)電壓。
13.過放保護(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)電壓小于等于過放截止電壓且達(dá)到過放電壓的延時(shí)時(shí)間，控制IC X1會(huì)通過第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)到過放恢復(fù)電壓值時(shí)，控制IC X1會(huì)重新打開MOS管Q1。
14.過流保護(hù)/短路保護(hù)
過流保護(hù)指的是過放電流的保護(hù)，一般的控制IC有過流保護(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)到過流保護(hù)或者短路保護(hù)的閾值且滿足延時(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。
過流保護(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，選用的過電流值為0.15V的控制IC，那過流保護(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。

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