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锂离子电池的保护方案比较

锂离子电池简介 自从锂离子电池诞生起,安全问题就一直伴随着,随着手机、平板电脑等便携式电子设备的普及,对电池容量的要求也越来越高,同时,要求电池的体积越来越小,这就要求电池芯的能量密度高,危险性也就随之更大。因此,锂离子电池的保护是不可缺少的,针对不同类型的锂离子电池,不同厂家也提出了不同的保护方案。

电池类型及其保护 锂离子电池有多种分类,按照形状可分为:圆柱形和方形;按照电解液状态又可分为:锂离子和锂聚合物电池,目前,移动电源所用电池芯大多为圆柱形的18650 cell(直径18mm,长度65mm)和方形的锂聚合物电池芯。下面从电池结构上来分析其安全性。 1. 圆柱形锂离子电池(18650) 电池芯内部有PPTC(可恢复保险器件)用于过温度及过电流保护。当电池芯温度过高或电流过大时,PPTC会变成高阻状态,从而阻断电池芯充放电电流,避免电池起火爆炸。

2. 方形锂电池 MHP-TA及PPTC紧贴电池芯的设计可以使MHP-TA和PPTC更好的感测电池温度,当电池温度异常升高时可以呈现高阻,阻碍电池的充放电电流,确保电池的安全使用。

保护电路可分为两部分:主动组件保护(保护IC和Mosfet),又称为一级保护,被动组件保护(MHP,PTC,Fuse),又称为二级保护。一级保护电路主要是针对电池的过充、过放、过载及短路进行保护,采用IC检测电池电压及充放电电流去控制Mosfet导通或关断从而保证锂电池工作在安全状态。

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第1页:电池类型及其保护

第2页:几种不同的电池保护方案(1)

第3页:几种不同的电池保护方案(2)

《电子技术设计》网站版权所有,谢绝转载 几种不同的电池保护方案 1.(Safety IC + Mosfet) + Fuse 这种放案里的Fuse有三种:热保险丝,普通电流保险丝,慢断型电流保险丝。 热保险丝可以较好的保护电池芯由于发热而产生的起火爆炸,而且成本较低。但是,由于电流大小、环境温度、电路板温度及电池芯温度都容易引起热保险丝的误动作,其不可恢复特性使得这种放案的应用有一定的局限性。 普通电流保险丝成本低,对于电池的过充电保护效果不佳,因为其不能感测电池芯的温度。电池短路容易烧断保险丝,不可恢复,电池报废,因此,这种保护方案主要应用于低端的锂电池。 慢断型电流保险丝的动作时间长于Safety IC的过电流保护动作时间,这就保证了Safety IC作为主动组件的第一级保护作用,不会触发作为二级保护的保险丝,电池处于安全状态。这种方案对于电池芯的过充电保护效果不佳,但是在电池芯安全的前提下,此种方案可以满足LPS的要求。 2.(Safety IC + Mosfet) + PTC/MHP

锂电池起火爆炸的可能原因: A. 由于电路参数设计不当或组件故障导致保护电路实效。 B. 锂电池芯本身不合格,即使正常充电也有可能起火爆炸。 基于以上原因,国际上针对锂电池的安规标准明确要求锂电池在一级保护失效的情况下可以安全充放电。因此,为了让锂电池的应用更加安全,在一级保护电路(IC/Mosfet)的基础上,又增加了一级被动组件保护,用可恢复保险器件(PTC或MHP)去检测电池芯的温度,当温度异常升高时PTC或MHP立刻呈现高阻状态,阻碍电池的充放电,从而防止锂电池的起火爆炸,保护原理如下图。由图可知,当电池温度升高时,PTC动作,充电回路高阻,电流接近零,电池温度迅速下降。

下图为模拟6串电池的过充电测试,目的是探测电池不同位置的温度变化。

下图为另一个电池温度的试验

上面的试验结果都表明,电池的电极部位是温度最高的,因此,PTC/MHP连接电池电极可以有效地防止电池的起火爆炸,这种方案是目前最为有效的,也是被绝大多数电池厂家所采用的。

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《电子技术设计》网站版权所有,谢绝转载 3.双(Safety IC + Mosfet) 采用双重主动组件保护可以提供保护电路的可靠性,降低保护组件的失效概率,同时,可以满足安规的要求。但是,对于电池型的保护并不是非常完善的。

下图是导致电池起火的一些原因。

不论何种原因,锂电池起火爆炸前都表现为电池温度急剧升高,如果没有被动组件PTC/MHP感测电池温度,即使双重保护也不能防止电池的起火爆炸。 双重保护电路大大降低了锂电池芯的过充电、短路及反向充电的概率,但是,对于本身就存在问题的电池芯却无能为力,而据统计,大约85%以上的电池起火爆炸都是因为电池芯本身的问题,所以,单从保护电路防止电池起火作用有限。 总结 随着锂电池芯能量密度的不断提高,安全性会更加受到重视,基于上述几种锂电池保护方案的分析比较,(Safety IC + Mosfet) + PTC/MHP保护方案更能有效地防止锂电池在使用过程中发生起火爆炸,目前,这种方案是应用最为广泛的,性价比也是最高的。

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