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锂离子电池保护方案的比较
 

【作者: 賀一兵】2014年10月28日 星期二

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锂离子电池简介


从锂离子电池诞生的那一刻起,安全问题就一直如影随地伴随着它,而随着手机、平板计算机等可?式电子设备的普及,在对电池容量要求越来越高的同时,也要求电池的体积要越来越小,从而使得电池芯也要具备可提供高能量密度的特性,使得相关的危险性也就随之增大。因此,对锂离子电池的保护已成为产品设计中不可缺少的一环,而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。



图一
图一

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,行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。以下将从电池结构上来分析其安全性。


圆柱形锂离子电池(18650)


电池芯内部所采用的PPTC(可恢复保险器件)可提供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,以避免电池起火爆炸。



图二
图二

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。



图三
图三

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、超载及短路进行保护,采用IC 检测电池电压及充放电电流去控制MOSFET导通或关断,从而确保锂电池是在安全的状态下工作。


几种不同的电池保护方案

1.(Safety IC + MOSFET)+ Fuse


这种方案里的Fuse 有三种:热保险丝、普通电流保险丝及慢断型电流保险丝。


热保险丝可以为由于发热而起火爆炸的电池芯提供较好的保护,而且它的成本也较低。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,再加上其不可恢复的特性,使得这种方案的应用有其一定的局限性。


普通电流保险丝成本低,对于电池的过充电保护效果不佳,因为它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,这种保护方案主要是应用在低阶的锂电池。


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,这可确保作为主动组件第一级保护的Safety IC可发挥作用,而不会触发作为二级保护的保险丝,让电池处于安全状态。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,此一方案可以满足LPS 的要求。


2. (Safety IC + MOSFET)+ PTC/MHP


图四
图四


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失效。


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中即明确地要求锂电池在一级保护失效的情况下,还应该可以安全地充放电。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。



图五
图五

下图为仿真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。



图六
图六

图七为另一个电池温度的试验



图七
图七

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


3.双(Safety IC + MOSFET)


图八
图八


采用双重主动组件保护可以提供保护电路的可靠性,降低保护组件失效的机率,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的完善。


图九是导致电池起火的一些原因。



图九
图九

不论何种原因,锂电池起火爆炸前都会出现电池温度急剧升高的现象,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、短路及反向充电的机率,但是,对于本身就有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,其作用是有限的。


结论


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,这是目前应用最为广泛、性价比也是最高的一种方案。 (本文由TECP泰科电子电路提供)


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