鋰離子電池及其保護電路
二次電池的便攜式產(chǎn)品應用范圍包括業(yè)務(wù)用終端機、導航系統、隨身聽(tīng)、數字相機、攝錄放影機、數字個(gè)人助理、電動(dòng)車(chē)輛、移動(dòng)電話(huà)以及筆記本電腦等。其中,鋰離子電池最大的應用領(lǐng)域為筆記本電腦與移動(dòng)電話(huà),其占有率已分別在80%與60%以上。而根據日本矢野經(jīng)濟研究所的預測,二次鋰離子電池正以52.33%的年增長(cháng)率快速地取代傳統鎳鎘與鎳氫電池的市場(chǎng)。
顧名思義,鋰離子電池是以鋰離子的儲存與釋放作為電能轉換的介質(zhì)。鋰離子電池具有高能量密度、重量輕、高內阻、高電池電壓、循環(huán)次數長(cháng)、自放電率低、不易達成完全充電以及需保護電路等特性。而與鎳鎘與鎳氫電池相比,如表1所示,鋰離子電流較高的能量密度、較長(cháng)的循環(huán)次數與較低的自放電率是脫穎而出的主要原因。
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特性 電池 | NiCd | NiMH | Li-ion | Li-polymer |
電壓(V) | 1.2 | 1.2 | 3.6 | 3.6 |
體積能量密度(Vh/L) | 200 | 300 | 350 | 290 |
重量能量密度(Wh/kg) | 60 | 80 | 120 | 100~120 |
功率密度(W/kg) | 190 | 200 | 300 | 250 |
能量效率(%) | 75 | 70 | >95 | >75 |
循環(huán)壽命(cycles) | 500 | 500 | 1000 | 500~1000 |
記憶效應 | 有 | 少許 | 無(wú) | 無(wú) |
價(jià)格(NiCd=1) | 1 | 1.2 | 2 | 4 |
尺寸 | 圓型/方型 | 圓型/方型 | 圓型/方型 | 薄片型 |
毒性 | Cd | 無(wú) | 無(wú) | 無(wú) |
而究竟在什么樣的情況下,會(huì )使鋰離子轉換成鋰金屬?答案是:壓力與熱。說(shuō)明如下:
1. 當過(guò)充電發(fā)生時(shí),電解質(zhì)會(huì )被分解,而使得電池內部的溫度與壓力上升。
2. 當過(guò)放電發(fā)生時(shí),負極中電解材質(zhì)-銅會(huì )熔化而造成內部短路,使溫度增加。
3. 當外部電路短路或放電電流過(guò)大時(shí),由于高內阻的特性,電池內部功率消耗增加,溫度亦會(huì )上升,可能引起電解液的氧化或分解,導致電池壽命縮短。一般而言,電池的放電速率不應大于0.2℃。
除此之外,假若鋰離子電池進(jìn)行過(guò)度的放電,會(huì )使電池內的電解液產(chǎn)生變化,可循環(huán)充電的次數會(huì )因此而減少,進(jìn)而影響電池的使用壽命。
因此,鋰離子電池所需的基本保護措施包括過(guò)充電保護、過(guò)放電保護、過(guò)流與短路保護。典型的鋰離子電池保護電路如圖1所示,其基本工作原理說(shuō)明如下:
1. 過(guò)充電電壓保護
鋰離子電池之電壓上限規格可分為4.2V與4.1V。由于電池外設與電池心之間存在有壓降之關(guān)系,因此保護電路所必需提供的過(guò)充電保護電壓可從4.35V至4.20V,依電池的特性而定。為避免過(guò)高的電壓產(chǎn)生,其誤差范圍必須小于±3mV。而同時(shí)必須配合適當的過(guò)充電延遲時(shí)間,以同時(shí)兼顧電量與過(guò)充電保護之要求。
當電池進(jìn)行充電動(dòng)作,至電池電壓超過(guò)過(guò)充電保護電壓時(shí),保護IC會(huì )截止MOSFET M2,促使電池停止充電動(dòng)作,避免電池過(guò)充電現象發(fā)生。當電池放電電壓大于過(guò)充電遲滯電壓時(shí),過(guò)充電保護功能方可解除,M2導通,重新啟動(dòng)過(guò)充電保護功能。雖然過(guò)充電保護過(guò)程中,M2為截止狀態(tài),放電路徑依然可流過(guò)M2的背接二極管,故此時(shí)電池仍可放電。
2. 過(guò)放電電壓保護
一般而言,鋰離子電池的安全電壓下限為2.4V,其所要求的誤差精準度并不如充電電壓精確,但亦必須配合適當的過(guò)放電延遲時(shí)間,以同時(shí)兼顧最大使用電量與過(guò)放電保護之要求。
當電池進(jìn)行放電動(dòng)作,至電池電壓低于過(guò)放電保護電壓時(shí),截止MOSFET M1,促使電池停止放電動(dòng)作,避免電池過(guò)放電現象發(fā)生。當電池充電電壓大于過(guò)放電遲滯電壓時(shí),過(guò)放電保護功能方可解除,M1導通,重新啟動(dòng)過(guò)放電保護功能。而過(guò)放電保護過(guò)程中,即使M1為截止狀態(tài),充電路徑依然可流過(guò)M1的背接二極管,故此時(shí)電池仍可充電。
3.過(guò)放電電流及短路保護
當放電電流過(guò)大,保護IC會(huì )把M1截止,藉以執行過(guò)放電電流保護功能。至于保護電流限定的大小,可由適當選擇MOSFET的Rdson加以設定。值得注意的是,保護IC不能因負載需要短時(shí)間的大電流而誤動(dòng)作,因此保護IC必須提供不同的過(guò)放電電流保護延遲時(shí)間。當放電電流很大(例如電池組輸出端短路時(shí)),延遲時(shí)間愈短,過(guò)放電電流保護功能會(huì )馬上啟動(dòng)藉以保護零件不致?lián)p害;而當放電電流較小,接近保護邊緣時(shí),延遲時(shí)間會(huì )較長(cháng)藉以避免過(guò)放電電流保護發(fā)生誤動(dòng)作。除此之外,整體鋰離子電池組之保護功能尚可透過(guò)電池內部之安全閾作內壓保護,外部電路之熱敏電阻進(jìn)行高溫保護。
以上所介紹的是鋰離子電池保護IC的基本工作原理,而真正在執行保護動(dòng)作時(shí),保護IC必須能達到下列的要求:
1. 最大充電電壓:充電器的電壓在暫態(tài)情況下,會(huì )升高至兩倍以上。因此保護電路必須要能承受兩倍的充電壓。
2. 反向保護:包括電池的反接保護與充電器的反應。保護電路必須能對使用者的誤放,提供保護動(dòng)作。其中,對MOSFET的選擇,尤為重要。
3. 低功率消耗:以單節電池的保護電路而言,其靜態(tài)電流必須小于0.1μA。而以四節電池的保護電路而言,其靜態(tài)電流則必須小于3μA。
4. 零伏充電:當電池第一次充電或電池電壓在儲存過(guò)程中,因自放電而使電壓過(guò)低時(shí),保護IC必須能對電池予以充電。
5. 電池電壓平衡在三或四串電池組的應用中,如筆記本電腦,各個(gè)電池的電壓可能會(huì )處于不平衡的狀態(tài),故必須保護IC必須能檢測各電池之電壓使所有電池達到平衡。
6. 電池放置順序:在電池組裝時(shí),電池的組裝順序可能不會(huì )由第一節至最后一節依序完成,保護IC及電路不能因組裝電池的錯亂而失效。
總而言之,鋰離子電池的應用已為大勢所趨,雖然其具有能量密度高、體積小與容量大的特性,但由于在充放電的過(guò)程中,再充電的功能容易遭受破壞并且基于安全性的考量,絕對需要保護電路。而從電池內部的安全閾設計、PTC開(kāi)關(guān)的使用,保護IC本身的功能強化,到保護電路上各種保險絲的運用,無(wú)非是要使鋰離子電池這項新能源動(dòng)力兼具效能與安全。
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