鋰離子電池及其保護(hù)電路

在便攜式電子產(chǎn)品的電源發(fā)展中，電池?zé)o疑是電力來源的唯一選擇。而基于環(huán)保與重復(fù)使用的考慮，對(duì)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秩序的重新排列。緊接而來的鋰高分子電池以及鋰金屬電池，無非是要對(duì)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(xiàn)。

二次電池的便攜式產(chǎn)品應(yīng)用范圍包括業(yè)務(wù)用終端機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、隨身聽、數(shù)字相機(jī)、攝錄放影機(jī)、數(shù)字個(gè)人助理、電動(dòng)車輛、移動(dòng)電話以及筆記本電腦等。其中，鋰離子電池最大的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣P記本電腦與移動(dòng)電話，其占有率已分別在80%與60%以上。而根據(jù)日本矢野經(jīng)濟(jì)研究所的預(yù)測，二次鋰離子電池正以52.33%的年增長率快速地取代傳統(tǒng)鎳鎘與鎳氫電池的市場。
顧名思義，鋰離子電池是以鋰離子的儲(chǔ)存與釋放作為電能轉(zhuǎn)換的介質(zhì)。鋰離子電池具有高能量密度、重量輕、高內(nèi)阻、高電池電壓、循環(huán)次數(shù)長、自放電率低、不易達(dá)成完全充電以及需保護(hù)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、較長的循環(huán)次數(shù)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(fù)極的材質(zhì)為碳粉或石墨，用以儲(chǔ)存與釋放鋰離子。當(dāng)鋰離子轉(zhuǎn)變成鋰金屬時(shí)，眾所周知，強(qiáng)烈的鋰金屬化學(xué)活性，再加上電池內(nèi)部使用了可燃性的有機(jī)溶劑，容易因周圍環(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(zhuǎn)換成鋰金屬？答案是：壓力與熱。說明如下：

1. 當(dāng)過充電發(fā)生時(shí)，電解質(zhì)會(huì)被分解，而使得電池內(nèi)部的溫度與壓力上升。

2. 當(dāng)過放電發(fā)生時(shí)，負(fù)極中電解材質(zhì)-銅會(huì)熔化而造成內(nèi)部短路，使溫度增加。

3. 當(dāng)外部電路短路或放電電流過大時(shí)，由于高內(nèi)阻的特性，電池內(nèi)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(dǎo)致電池壽命縮短。一般而言，電池的放電速率不應(yīng)大于0.2℃。

除此之外，假若鋰離子電池進(jìn)行過度的放電，會(huì)使電池內(nèi)的電解液產(chǎn)生變化，可循環(huán)充電的次數(shù)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(hù)措施包括過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過流與短路保護(hù)。典型的鋰離子電池保護(hù)電路如圖1所示，其基本工作原理說明如下：

1. 過充電電壓保護(hù)

鋰離子電池之電壓上限規(guī)格可分為4.2V與4.1V。由于電池外設(shè)與電池心之間存在有壓降之關(guān)系，因此保護(hù)電路所必需提供的過充電保護(hù)電壓可從4.35V至4.20V，依電池的特性而定。為避免過高的電壓產(chǎn)生，其誤差范圍必須小于±3mV。而同時(shí)必須配合適當(dāng)?shù)倪^充電延遲時(shí)間，以同時(shí)兼顧電量與過充電保護(hù)之要求。

當(dāng)電池進(jìn)行充電動(dòng)作，至電池電壓超過過充電保護(hù)電壓時(shí)，保護(hù)IC會(huì)截止MOSFET M2，促使電池停止充電動(dòng)作，避免電池過充電現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)電池放電電壓大于過充電遲滯電壓時(shí)，過充電保護(hù)功能方可解除，M2導(dǎo)通，重新啟動(dòng)過充電保護(hù)功能。雖然過充電保護(hù)過程中，M2為截止?fàn)顟B(tài)，放電路徑依然可流過M2的背接二極管，故此時(shí)電池仍可放電。

2. 過放電電壓保護(hù)

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(zhǔn)度并不如充電電壓精確，但亦必須配合適當(dāng)?shù)倪^放電延遲時(shí)間，以同時(shí)兼顧最大使用電量與過放電保護(hù)之要求。

當(dāng)電池進(jìn)行放電動(dòng)作，至電池電壓低于過放電保護(hù)電壓時(shí)，截止MOSFET M1，促使電池停止放電動(dòng)作，避免電池過放電現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)電池充電電壓大于過放電遲滯電壓時(shí)，過放電保護(hù)功能方可解除，M1導(dǎo)通，重新啟動(dòng)過放電保護(hù)功能。而過放電保護(hù)過程中，即使M1為截止?fàn)顟B(tài)，充電路徑依然可流過M1的背接二極管，故此時(shí)電池仍可充電。

3.過放電電流及短路保護(hù)

當(dāng)放電電流過大，保護(hù)IC會(huì)把M1截止，藉以執(zhí)行過放電電流保護(hù)功能。至于保護(hù)電流限定的大小，可由適當(dāng)選擇MOSFET的Rdson加以設(shè)定。值得注意的是，保護(hù)IC不能因負(fù)載需要短時(shí)間的大電流而誤動(dòng)作，因此保護(hù)IC必須提供不同的過放電電流保護(hù)延遲時(shí)間。當(dāng)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，過放電電流保護(hù)功能會(huì)馬上啟動(dòng)藉以保護(hù)零件不致?lián)p害；而當(dāng)放電電流較小，接近保護(hù)邊緣時(shí)，延遲時(shí)間會(huì)較長藉以避免過放電電流保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作。除此之外，整體鋰離子電池組之保護(hù)功能尚可透過電池內(nèi)部之安全閾作內(nèi)壓保護(hù)，外部電路之熱敏電阻進(jìn)行高溫保護(hù)。

以上所介紹的是鋰離子電池保護(hù)IC的基本工作原理，而真正在執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作時(shí)，保護(hù)IC必須能達(dá)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(hù)電路必須要能承受兩倍的充電壓。

2. 反向保護(hù)：包括電池的反接保護(hù)與充電器的反應(yīng)。保護(hù)電路必須能對(duì)使用者的誤放，提供保護(hù)動(dòng)作。其中，對(duì)MOSFET的選擇，尤為重要。

3. 低功率消耗：以單節(jié)電池的保護(hù)電路而言，其靜態(tài)電流必須小于0.1μA。而以四節(jié)電池的保護(hù)電路而言，其靜態(tài)電流則必須小于3μA。

4. 零伏充電：當(dāng)電池第一次充電或電池電壓在儲(chǔ)存過程中，因自放電而使電壓過低時(shí)，保護(hù)IC必須能對(duì)電池予以充電。

5. 電池電壓平衡在三或四串電池組的應(yīng)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(hù)IC必須能檢測各電池之電壓使所有電池達(dá)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(jié)至最后一節(jié)依序完成，保護(hù)IC及電路不能因組裝電池的錯(cuò)亂而失效。

總而言之，鋰離子電池的應(yīng)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(duì)需要保護(hù)電路。而從電池內(nèi)部的安全閾設(shè)計(jì)、PTC開關(guān)的使用，保護(hù)IC本身的功能強(qiáng)化，到保護(hù)電路上各種保險(xiǎn)絲的運(yùn)用，無非是要使鋰離子電池這項(xiàng)新能源動(dòng)力兼具效能與安全。