鋰電池智能充電管理與電路保護設計

經(jīng)常關注筆記本市場的網(wǎng)友，一定對2006發(fā)生的索尼電池召回事件印象深刻。作為全球第二大筆記本電池生產(chǎn)廠商，索尼在06年短短4個月的時間里，對電池的召回數(shù)量就接近1000萬。而在全球筆記本搭配的鋰電池中，索尼生產(chǎn)的電池市場占有率高達25%，因此此次事件的負面影響很大。在隨后的幾年中多家知名電腦公司規(guī)模巨大的召回行動，更加重了消費者對鋰電池安全性的擔憂和思考。

隨著便攜式設備不斷小型化、輕量化和高性能化的日益提高，作為其電源的二次電池市場正迅速拓寬，而鋰離子電池的眾多優(yōu)點使其成為了二次電池的主流產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計，鋰離子電池的全球需求已達13億只，并隨著應用領域的不斷擴展，這一數(shù)據(jù)在逐年遞增。正因如此，隨著鋰離子電池在各個行業(yè)用量的迅速激增，電池的安全性能也日益突出，不僅要求鋰離子電池具有優(yōu)異的充、放電性能，還要求具有更高的安全性能。

那鋰電池到底為什么發(fā)生起火甚至爆炸呢，有什么措施可以避免和杜絕嗎?電子元件技術網(wǎng)精心搜集和整理社區(qū)內(nèi)鋰電池技術文章，此次本月談聚焦鋰電池智能充放電管理和電路保護設計，涉及鋰電池材料結(jié)構、鋰電池工作原理、鋰電池智能充放電管理、鋰電池保護電路設計等多個方面，解析鋰電池制造工藝、散熱設計、低功耗設計技巧對產(chǎn)品安全性的影響，結(jié)合鋰電池在電動車保護電路設計案例，幫助工程師解決設計中的難點和挑戰(zhàn)。

如筆記本電池爆炸，不僅同其中所用的鋰電池電芯的生產(chǎn)工藝有關，也同電池內(nèi)封裝的電池保護板、筆記本電腦的充放電管理電路以及筆記本的散熱設計有關。筆記本電腦不合理的散熱設計和充放電管理，將使電池電芯過熱，從而大大增加了電芯的活性，同時增加了爆炸、燃燒的幾率。

鋰電池材料構成及性能探析

首先我們來了解一下鋰電池的材料構成，鋰離子電池的性能主要取決于所用電池內(nèi)部材料的結(jié)構和性能。這些電池內(nèi)部材料包括負極材料、電解質(zhì)、隔膜和正極材料等。其中正、負極材料的選擇和質(zhì)量直接決定鋰離子電池的性能與價格。因此廉價、高性能的正、負極材料的研究一直是鋰離子電池行業(yè)發(fā)展的重點。

負極材料一般選用碳材料，目前的發(fā)展比較成熟。而正極材料的開發(fā)已經(jīng)成為制約鋰離子電池性能進一步提高、價格進一步降低的重要因素。在目前的商業(yè)化生產(chǎn)的鋰離子電池中，正極材料的成本大約占整個電池成本的40%左右，正極材料價格的降低直接決定著鋰離子電池價格的降低。對鋰離子動力電池尤其如此。比如一塊手機用的小型鋰離子電池大約只需要5克左右的正極材料，而驅(qū)動一輛公共汽車用的鋰離子動力電池可能需要高達500千克的正極材料。

盡管從理論上能夠用作鋰離子電池正極材料種類很多，常見的正極材料主要成分為 LiCoO2，充電時，加在電池兩極的電勢迫使正極的化合物釋出鋰離子，嵌入負極分子排列呈片層結(jié)構的碳中。放電時，鋰離子則從片層結(jié)構的碳中析出，重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動產(chǎn)生了電流。這就是鋰電池工作的原理。

鋰電池充放電管理設計

鋰電池充電時，加在電池兩極的電勢迫使正極的化合物釋出鋰離子，嵌入負極分子排列呈片層結(jié)構的碳中。放電時，鋰離子則從片層結(jié)構的碳中析出，重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動產(chǎn)生了電流。原理雖然很簡單，然而在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，需要考慮的實際問題要多得多：正極的材料需要添加劑來保持多次充放的活性，負極的材料需要在分子結(jié)構級去設計以容納更多的鋰離子;填充在正負極之間的電解液，除了保持穩(wěn)定，還需要具有良好導電性，減小電池內(nèi)阻。

雖然鋰離子電池有以上所說的種種優(yōu)點，但它對保護電路的要求比較高， 在使用過程中應嚴格避免出現(xiàn)過充電、過放電現(xiàn)象，放電電流也不宜過大，一般而言，放電速率不應大于0.2C。鋰電池的充電過程如圖所示。在一個充電周期內(nèi)， 鋰離子電池在充電開始之前需要檢測電池的電壓和溫度， 判斷是否可充。如果電池電壓或溫度超出制造商允許的范圍， 則禁止充電。允許充電的電壓范圍是：每節(jié)電池2.5V~4.2V。

在電池處于深放電的情況下，必須要求充電器具有預充過程，使電池滿足快速充電的條件;然后，根據(jù)電池廠商推薦的快速充電速度，一般為1C，充電器對電池進行恒流充電，電池電壓緩慢上升;一旦電池電壓達到所設定的終止電壓(一般為4.1V或4.2V)，恒流充電終止，充電電流快速衰減，充電進入滿充過程;在滿充過程中，充電電流逐漸衰減，直到充電速率降低到C/10以下或滿充時間超時時，轉(zhuǎn)入頂端截止充電; 頂端截止充電時，充電器以極小的充電電流為電池補充能量。頂端截止充電一段時間后，關閉充電。

鋰電池保護電路設計

由于鋰離子電池的化學特性，在正常使用過程中，其內(nèi)部進行電能與化學能相互轉(zhuǎn)化的化學正反應，但在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導致電池內(nèi)部發(fā)生化學副反應,該副反應加劇后，會嚴重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導致安全問題，因此所有的鋰離子電池都需要一個保護電路，用于對電池的充、放電狀態(tài)進行有效監(jiān)測，并在某些條件下關斷充、放電回路以防止對電池發(fā)生損害。

鋰離子電池保護電路包括過度充電保護、過電流/短路保護和過放電保護，要求過充電保護高精密度、保護IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。下面的文章將詳細介紹了這三種保護電路的原理、新功能和特性要求，對工程師設計和研發(fā)保護電路有參考價值。

鋰電池保護電路設計案例分享

以鋰電池為供電電源的電路設計中, 要求將越來越復雜的混合信號系統(tǒng)集成到一個小面積芯片上, 這必然給數(shù)字、模擬電路提出了低壓、低功耗問題。在功耗和功能的制約中, 如何取得最佳的設計方案也是當前功耗管理技術( PowerManagement, PM ) 的一個研究熱點。另一方面, 鋰電池的應用也極大地推動了相應電池管理、電池保護電路的設計開發(fā)。鋰電池應用時必須要有復雜的控制電路, 來有效防止電池的過充電、過放電和過電流狀態(tài)。

從電動自行車能源轉(zhuǎn)變趨勢論述了采用超低功耗、高性能MSP430F20X3設計電動自行車的鋰電池充、放電保護電路的方案。該方案從系統(tǒng)架構、充放電電路、檢測及保護電路設計的每一個細節(jié)論述設計的全過程，為電動自行車電源的設計者提供了比較全面的參考。