如何設(shè)置安全的鋰電池保護(hù)電路
據(jù)統(tǒng)計(jì),鋰離子電池的全球需求已達(dá)13億只,并隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)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(gè)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?
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/228211.htm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(guān),也同電池內(nèi)封裝的電池保護(hù)板、筆記本電腦的充放電管理電路以及筆記本的散熱設(shè)計(jì)有關(guān)。筆記本電腦不合理的散熱設(shè)計(jì)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(shí)增加了爆炸、燃燒的幾率。
鋰電池材料構(gòu)成及性能探析
首先我們來了解一下鋰電池的材料構(gòu)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(gòu)和性能。這些電池內(nèi)部材料包括負(fù)極材料、電解質(zhì)、隔膜和正極材料等。其中正、負(fù)極材料的選擇和質(zhì)量直接決定鋰離子電池的性能與價(jià)格。因此廉價(jià)、高性能的正、負(fù)極材料的研究一直是鋰離子電池行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。
負(fù)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(jìn)一步提高、價(jià)格進(jìn)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(gè)電池成本的40%左右,正極材料價(jià)格的降低直接決定著鋰離子電池價(jià)格的降低。對(duì)鋰離子動(dòng)力電池尤其如此。比如一塊手機(jī)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(dòng)一輛公共汽車用的鋰離子動(dòng)力電池可能需要高達(dá)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(shí),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(fù)極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中。放電時(shí),鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出,重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動(dòng)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(shè)計(jì)
鋰電池充電時(shí),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(fù)極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中。放電時(shí),鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出,重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動(dòng)產(chǎn)生了電流。原理雖然很簡單,然而在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中,需要考慮的實(shí)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(fù)極的材料需要在分子結(jié)構(gòu)級(jí)去設(shè)計(jì)以容納更多的鋰離子;填充在正負(fù)極之間的電解液,除了保持穩(wěn)定,還需要具有良好導(dǎo)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(diǎn),但它對(duì)保護(hù)電路的要求比較高, 在使用過程中應(yīng)嚴(yán)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(yīng)大于0.2C。鋰電池的充電過程如圖所示。在一個(gè)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(yù)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(duì)電池進(jìn)行恒流充電,電池電壓緩慢上升;一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)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(jìn)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(shí)間超時(shí)時(shí),轉(zhuǎn)入頂端截止充電; 頂端截止充電時(shí),充電器以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量。頂端截止充電一段時(shí)間后,關(guān)閉充電。
鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)
由于鋰離子電池的化學(xué)特性,在正常使用過程中,其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng),但在某些條件下,如對(duì)其過充電、過放電和過電流將會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng),該副反應(yīng)加劇后,會(huì)嚴(yán)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(dǎo)致安全問題,因此所有的鋰離子電池都需要一個(gè)保護(hù)電路,用于對(duì)電池的充、放電狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測,并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對(duì)電池發(fā)生損害。
鋰離子電池保護(hù)電路包括過度充電保護(hù)、過電流/短路保護(hù)和過放電保護(hù),要求過充電保護(hù)高精密度、保護(hù)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(xì)介紹了這三種保護(hù)電路的原理、新功能和特性要求,對(duì)工程師設(shè)計(jì)和研發(fā)保護(hù)電路有參考價(jià)值。
鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)案例分享
以鋰電池為供電電源的電路設(shè)計(jì)中, 要求將越來越復(fù)雜的混合信號(hào)系統(tǒng)集成到一個(gè)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(shè)計(jì)方案也是當(dāng)前功耗管理技術(shù)( PowerManagement, PM ) 的一個(gè)研究熱點(diǎn)。另一方面, 鋰電池的應(yīng)用也極大地推動(dòng)了相應(yīng)電池管理、電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)開發(fā)。鋰電池應(yīng)用時(shí)必須要有復(fù)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(dòng)自行車能源轉(zhuǎn)變趨勢論述了采用超低功耗、高性能MSP430F20X3設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車的鋰電池充、放電保護(hù)電路的方案。該方案從系統(tǒng)架構(gòu)、充放電電路、檢測及保護(hù)電路設(shè)計(jì)的每一個(gè)細(xì)節(jié)論述設(shè)計(jì)的全過程,為電動(dòng)自行車電源的設(shè)計(jì)者提供了比較全面的參考。
評(píng)論