鋰離子電池及其保護電路

在便攜式電子產(chǎn)品的電源發(fā)展中，電池無(wú)疑是電力來(lái)源的唯一選擇。而基于環(huán)保與重復使用的考慮，對二次電池的需求與日俱增。其中鋰離子電池的異軍突起。造成了二次電池市場(chǎng)秩序的重新排列。緊接而來(lái)的鋰高分子電池以及鋰金屬電池，無(wú)非是要對便攜式產(chǎn)品的電力效能的提高，發(fā)揮最大的努力與貢獻。

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。

表1 小型二次電池性能比較

由于鋰離子電池負極的材質(zhì)為碳粉或石墨，用以?xún)Υ媾c釋放鋰離子。當鋰離子轉變成鋰金屬時(shí)，眾所周知，強烈的鋰金屬化學(xué)活性，再加上電池內部使用了可燃性的有機溶劑，容易因周?chē)h(huán)境的變化而產(chǎn)生火花甚至燃燒。

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。