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深入剖析鋰電池保護(hù)電路工作原理
來源: | 作者:sztaiqin | 發(fā)布時(shí)間: 2021-12-20 | 2445 次瀏覽 | 分享到:

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(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。


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;

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。

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(zhǎng)的比較快。

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。
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。
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。

8. 鋰離子電池循環(huán)次數(shù)


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?,電池的充放電就像孩子喝母乳一樣?/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,類似電池過放
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(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。

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,
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。
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。
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。