鋰電保護(hù)原理簡(jiǎn)述

關(guān)于鋰電保護(hù)原理簡(jiǎn)述鋰離子電池的“前世今生”鋰是鋰電池的核心，是最輕的金屬元素，比重是鋁的五分之一早期的鋰離子電池因?yàn)榛钚噪y掌握，所以充電時(shí)的枝晶效應(yīng)會(huì)使電芯內(nèi)部短路現(xiàn)在的鋰離子電池是由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜組成鋰離子的未來(lái)是在發(fā)展新的正負(fù)極材料第2頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天負(fù)極枝晶效應(yīng)充電過(guò)程中Li+從正極LiCoO2中脫出，進(jìn)入電解液，在充電器的外電場(chǎng)的作用下向負(fù)極移動(dòng)依次進(jìn)入石墨組成的負(fù)極，并形成LiC化合物，如果充電速度過(guò)快，使Li+來(lái)不及進(jìn)入負(fù)極柵格，在負(fù)極附近的電解液中就會(huì)聚集Li+，這些靠近碳C負(fù)極的Li+很可能從負(fù)極俘獲一個(gè)電子成為金屬鋰，持續(xù)堆積后形成樹(shù)狀晶體，俗稱枝晶。第3頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天另外一種是隨著負(fù)極充滿電的程度越高，LiC晶格空間越少，從正極移動(dòng)過(guò)來(lái)的LI+找到空格的機(jī)會(huì)就越少，如果充電速度不變的話，一樣會(huì)堆積Li+,因此在充電后半段要減小電流。枝晶長(zhǎng)大會(huì)刺破隔膜，使電芯內(nèi)部形成正負(fù)極短路，所以說(shuō)充電速度越快越危險(xiǎn)，充電終止電壓越高越危險(xiǎn)，充電時(shí)間越長(zhǎng)也越危險(xiǎn)負(fù)極枝晶效應(yīng)第4頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池的使用根據(jù)上述所分析，鋰電池的電壓過(guò)高或過(guò)低都會(huì)造成嚴(yán)重問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際使用情況大致給鋰電池分了幾個(gè)使用區(qū)間如下：超過(guò)（4.275~4.35V）為高壓危險(xiǎn)區(qū)4.2V~4.275V為高壓警戒區(qū)4.2V~（2.5~3.0V）為正常使用區(qū)2.3V~（2.5~3.0V）為低壓警戒區(qū)2.3V以下為低壓危險(xiǎn)區(qū)第5頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天保護(hù)板的保護(hù)原理一1、單節(jié)保護(hù)板原理圖V1V2VD2VD1第6頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池的保護(hù)原理二該保護(hù)回路由兩個(gè)MOSFET(Q1包含兩個(gè)MOSFET)和一個(gè)控制IC（IC1）外加一些阻容元件構(gòu)成?？刂艻C負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電池電壓與回路電流，并控制兩個(gè)MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開(kāi)關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，單節(jié)保護(hù)IC早期的延時(shí)電容外置在保護(hù)IC外圍電路，現(xiàn)在延時(shí)部分均內(nèi)置在保護(hù)IC的內(nèi)部，該電路具有過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)與短路保護(hù)功能，其工作原理分析如下第7頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池的保護(hù)原理三1、正常狀態(tài)

在正常狀態(tài)下電路中IC1的“CO”（第3腳）與“DO”（第1腳）腳都輸出高電壓，兩個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，通常小于30毫歐，因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí)，通常小于7μA第8頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池的保護(hù)原理四2、過(guò)充電保護(hù)

鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過(guò)程，電壓會(huì)上升到4.2V(根據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V)，轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來(lái)越小。

電池在被充電過(guò)程中，如果充電器電路失去控制，會(huì)使電池電壓超過(guò)4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過(guò)4.3V時(shí)，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。第9頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池的保護(hù)原理五在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無(wú)法再對(duì)電池進(jìn)行充電，起到過(guò)充電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V2自帶的體二極管VD2的存在，電池可以通過(guò)該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行放電。

在控制IC檢測(cè)到電池電壓超過(guò)4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號(hào)之間，還有一段延時(shí)時(shí)間，我們稱為過(guò)充保護(hù)延時(shí)，時(shí)間由IC內(nèi)部或外部延時(shí)電容決定，通常設(shè)為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

第10頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池的保護(hù)原理六3、過(guò)放電保護(hù)

電池在對(duì)外部負(fù)載放電過(guò)程中，其電壓會(huì)隨著放電過(guò)程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V時(shí)，其容量已被完全放光，此時(shí)如果讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。

在電池放電過(guò)程中，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到過(guò)放電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V1自帶的體二極管VD1的存在，充電器可以通過(guò)該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。

第11頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池的保護(hù)原理七由于在過(guò)放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小，此時(shí)控制IC會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個(gè)保護(hù)電路耗電會(huì)小于0.1μA。

在控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由IC或外部延時(shí)電容決定，通常設(shè)為100毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。第12頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池的保護(hù)原理八4、過(guò)電流保護(hù)

由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過(guò)2C（C=電池容量/小時(shí)），當(dāng)電池超過(guò)2C電流放電時(shí)，常規(guī)電池將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。

電池在對(duì)負(fù)載正常放電過(guò)程中，放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí)，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓值U=I*RDS*2,RDS為單個(gè)MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-”腳對(duì)該電壓值進(jìn)行檢測(cè)，若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓?，使回路電流增大，?dāng)回路電流大到使U>0.15V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過(guò)電流保護(hù)作用。第13頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池保護(hù)原理九在控制IC檢測(cè)到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由IC內(nèi)部或外部延時(shí)電容決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。注：礦業(yè)用電池要小于10毫秒，因?yàn)榻佑|時(shí)大電流產(chǎn)生的火花能致使瓦斯爆炸！

在上述控制過(guò)程中可知，其過(guò)電流檢測(cè)值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通阻抗越大時(shí)，對(duì)同樣的控制IC，其過(guò)電流保護(hù)值越小。

第14頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池的保護(hù)原理十5、短路保護(hù)

電池在對(duì)負(fù)載放電過(guò)程中，若回路電流大到使U>0.9V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，控制IC則判斷為負(fù)載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短，通常小于7微秒。其工作原理與過(guò)電流保護(hù)類(lèi)似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不一樣。第15頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池的保護(hù)原理十一除了控制IC外，電路中還有一個(gè)重要元件，就是MOSFET，它在電路中起著開(kāi)關(guān)的作用，由于它直接串接在電池與外部負(fù)載之間，因此它的導(dǎo)通阻抗對(duì)電池的性能有影響，當(dāng)選用的MOSFET較好時(shí)，其導(dǎo)通阻抗很小，電池包的內(nèi)阻就小，帶載能力也強(qiáng)，在放電時(shí)其消耗的電能也少。第16頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池保護(hù)原理PTC的作用6、關(guān)于PTC,其實(shí)PTC作為電池的第一個(gè)安全機(jī)構(gòu)，當(dāng)電池內(nèi)的溫度上升時(shí)，PTC的阻值隨之上升，因而當(dāng)電池內(nèi)部的溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)自動(dòng)切斷陰極引線與陰極之間的電路。因?yàn)镹I-MH電池一般在放電期間較為容易產(chǎn)生溫度過(guò)高現(xiàn)象，所以NI-MH電池一定要用PTC來(lái)做保護(hù)，否則會(huì)引起其他危險(xiǎn)情況！而現(xiàn)在我們所用的LI電池1C以下電流溫度上升比較小，基本上不用PTC，但是有些高端客戶會(huì)增加PTC，來(lái)增大電池的安全系數(shù)！第17頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋰電池保護(hù)原理中NTC的作用7、關(guān)于NTC，一般是配合充電器和用電設(shè)備，在檢測(cè)電池溫度過(guò)高是來(lái)關(guān)斷回路！使整個(gè)回路不在工作。一般來(lái)講充電時(shí)電池會(huì)較為容易產(chǎn)生溫度升高，特別是大一點(diǎn)的電池，充電電流較大，還有加裝加裝外殼或其他腔體內(nèi)部，容易積累熱量，那么NTC就顯的極為重要！第18頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天電池組裝中的串并聯(lián)概念1、串聯(lián)的概念即是電壓的累計(jì)，容量保持單體容量。例如單體電芯為PL3834503.7V/1000mAh那么四節(jié)電芯串聯(lián)電壓表現(xiàn)出來(lái)就是4×3.7V＝14.8V，而容量則保持不變?yōu)?000mAh整個(gè)電池表現(xiàn)為1000mAh/14.8V2、并聯(lián)的概念是容量的累計(jì)，而電壓保持單體的電壓例如單體電芯為PL3834503.7V/1000mAh那么4節(jié)電芯并聯(lián)起來(lái)表現(xiàn)出來(lái)的就是容量為4000mAh,電壓表現(xiàn)出來(lái)的就是3.7V。整個(gè)電池表現(xiàn)為4000mAh/3.7V第19頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天串聯(lián)連接時(shí)只能是按順序連接，了解轉(zhuǎn)接板或線路板上的相對(duì)電位點(diǎn)，不能混接造成有相對(duì)壓差的點(diǎn)相連從而造成相互之間短路。組裝過(guò)程中電芯間的短路注意事項(xiàng)第20頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天多串聯(lián)保護(hù)電路原理第21頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天1腳為過(guò)充電壓控制腳2、4、6、12、14、19為空腳，沒(méi)有定義。3腳為過(guò)流保護(hù)控制腳5腳為放電保護(hù)控制腳7為放電延時(shí)時(shí)間調(diào)解控制腳，通過(guò)調(diào)解外部電容來(lái)調(diào)解時(shí)間8腳過(guò)流保護(hù)延時(shí)時(shí)間設(shè)定控制腳。通過(guò)調(diào)解外部電容來(lái)調(diào)解時(shí)間9腳過(guò)充保護(hù)延時(shí)時(shí)間設(shè)定控制腳。通過(guò)調(diào)解外部電容來(lái)調(diào)解時(shí)間10接地腳11腳為三節(jié)四節(jié)保護(hù)電路調(diào)解點(diǎn)，當(dāng)此腳接電芯串聯(lián)最高點(diǎn)時(shí)為4節(jié)保護(hù)電路，當(dāng)此腳接地時(shí)為3節(jié)電池保護(hù)電路13腳