鋰離子電池簡介

從鋰離子電池誕生的那一刻起，安全問題就一直如影隨地伴隨著它，而隨著手機、平板電腦等可?式電子設備的普及，在對電池容量要求越來越高的同時，也要求電池的體積要越來越小，從而使得電池芯也要具備可提供高能量密度的特性，使得相關的危險性也就隨之增大。因此，對鋰離子電池的保護已成為產品設計中不可缺少的一環，而針對不同類型的鋰離子電池，不同廠家也提出了不同的保護方案。

圖一

電池類型及其保護

鋰離子電池有多種分類，按照形狀可分為：圓柱形和方形；按照電解液狀態又可分為：鋰離子和鋰聚合物電池，目前，行動電源所用電池芯大多為圓柱形的18650 cell （直徑18mm，長度65mm） 和方形的鋰聚合物電池芯。以下將從電池結構上來分析其安全性。

圓柱形鋰離子電池（18650）

電池芯內部所採用的PPTC（可恢復保險器件）可提供過溫度及過電流保護。當電池芯溫度過高或電流過大時，PPTC會變成高阻狀態，從而阻斷電池芯充放電電流，以避免電池起火爆炸。

圖二

方形鋰電池

MHP-TA及PPTC緊貼電池芯的設計可以使MHP-TA和PPTC更好的感測電池溫度，當電池溫度異常升高時可以呈現高阻，阻礙電池的充放電電流，確保電池的安全使用。

圖三

保護電路可分為兩部分：主動元件保護（保護IC和MOSFET），又稱為一級保護，被動元件保護（MHP、PTC、Fuse），又稱為二級保護。一級保護電路主要是針對電池的過充、過放、超載及短路進行保護，採用IC 檢測電池電壓及充放電電流去控制MOSFET導通或關斷，從而確保鋰電池是在安全的狀態下工作。

幾種不同的電池保護方案

1.（Safety IC + MOSFET）+ Fuse

這種方案裡的Fuse 有三種：熱保險絲、普通電流保險絲及慢斷型電流保險絲。

熱保險絲可以為由於發熱而起火爆炸的電池芯提供較好的保護，而且它的成本也較低。但是，由於電流大小、環境溫度、電路板溫度及電池芯溫度都容易引起熱保險絲的誤動作，再加上其不可恢復的特性，使得這種方案的應用有其一定的局限性。

普通電流保險絲成本低，對於電池的過充電保護效果不佳，因為它不能感測電池芯的溫度。電池短路容易燒斷保險絲，不可恢復，電池報廢，因此，這種保護方案主要是應用在低階的鋰電池。

慢斷型電流保險絲的動作時間長於Safety IC的過電流保護動作時間，這可確保作為主動元件第一級保護的Safety IC可發揮作用，而不會觸發作為二級保護的保險絲，讓電池處於安全狀態。這種方案對於電池芯的過充電保護效果不佳，但是在電池芯安全的前提下，此一方案可以滿足LPS 的要求。

2. （Safety IC + MOSFET）+ PTC/MHP

圖四

鋰電池起火爆炸的可能原因：

A.由於電路參數設計不當或元件故障導致保護電路失效。

B.鋰電池芯本身不合格，即使正常充電也有可能起火爆炸。

基於以上原因，國際上針對鋰電池的安規標準中即明確地要求鋰電池在一級保護失效的情況下，還應該可以安全地充放電。因此，為了讓鋰電池的應用更加安全，在一級保護電路（IC/MOSFET）的基礎上，又增加了一級被動元件保護，用可恢復保險器件（PTC或MHP）去檢測電池芯的溫度，當溫度異常升高時，PTC或MHP立刻呈現高阻狀態，阻礙電池的充放電，從而防止鋰電池的起火爆炸，保護原理如下圖。由圖可知，當電池溫度升高時，PTC動作，充電回路高阻，電流接近零，電池溫度迅速下降。

圖五

下圖為模擬6串電池的過充電測試，目的是探測電池不同位置的溫度變化。

圖六

圖七為另一個電池溫度的試驗

圖七

上面的試驗結果都表明，溫度最高的部位是在電池的電極，因此，PTC/ MHP連接電池電極可以有效地防止電池的起火爆炸，這是目前最為有效、也是被絕大多數電池廠家所採用的方案。

3.雙（Safety IC + MOSFET）

圖八

採用雙重主動元件保護可以提供保護電路的可靠性，降低保護元件失效的機率，同時，可以滿足安規的要求。但是，對於電池型的保護並不是非常的完善。

圖九是導致電池起火的一些原因。

圖九

不論何種原因，鋰電池起火爆炸前都會出現電池溫度急劇升高的現象，如果沒有被動元件PTC / MHP 感測電池溫度，即使雙重保護也不能防止電池的起火爆炸。

雙重保護電路大大降低了鋰電池芯的過充電、短路及反向充電的機率，但是，對於本身就有問題的電池芯卻無能為力，而據統計，大約85% 以上的電池起火爆炸都是因為電池芯本身的問題，所以，單從保護電路防止電池起火，其作用是有限的。

結論

隨著鋰電池芯能量密度的不斷提高，安全性會更加受到重視，基於上述幾種鋰電池保護方案的分析比較，（Safety IC + MOSFET）+ PTC/MHP保護方案更能有效地防止鋰電池在使用過程中發生起火爆炸，這是目前應用最為廣泛、性價比也是最高的一種方案。 （本文由TECP泰科電子電路提供）