锂离子电池保护电路应用中存在的问题及改进

第２５卷第１期　２０１２年２月　常州工学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶＯ１．２５　Ｎｏ．１　Ｆｌｅｂ．２Ｏ１２　锂离子电池保护电路应用中存在的问题及改进　胡新福　（闽西职业技术学院电气工程系，福建龙岩３６４０２１）　摘要针对单节锂离子电池保护电路在应用中保护Ｉｃ和ＣＭＯＳ容易损坏的问题，分析了单　节锂离子电池保护电路的工作原理，通过外围电路的改进设计，对锂离子保护Ｉｃ和ＣＭＯＳ起到有　效的保护作用。　关键词锂离子电池；过放电；短路保护；过流保护　中图分类号：ＴＭ９１１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１—０４３６（２０１２）Ｏ１—００５５—０４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　Ｌｉ－ｉｏｎ　Ｂａｔｔｅｒｙ　ａｎｄ　Ｔｈｅｉｒ　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ＨＵ　Ｘｉｎ－ｆｕ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉｎｘｉ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｏｎｇｙａｎ　３６４０２１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ＩＣ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＣＯＭＳ　ａｒｅ　ｅａｓｉｌｙ　ｄａｍａｇｅｄ　ｉｎ　ｉｔｓ　ａｐ—　ｐｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ｓｉｎｇｌｅ—ｃｅｌｌ　ｐａｃｋ　Ｌｉ—ｉｏｎ　ｂａｋｅｒｙ．Ｉｔ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ＩＣ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＣＯＭＳ　ｂｙ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｌｉ—ｉｏｎ　ｂａｋｅｒｙ；ｏｖｅｒ—ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｓｈｏｒｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｏｖｅｒ—ｃｕｒｒｅｎｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　锂是非常活跃的一种金属，锂离子电池在使　用中严禁过充电、过放电和短路，否则将会引起电　池起火和爆炸，因此，在使用可充锂电池一般都会　带有一块保护板来保护电芯的安全。单节锂离子　电池保护电路在应用中存在保护ＩＣ和ＣＭＯＳ容　易损坏的问题。　影响电解液的传送速度，温度上升，则电解液传送　速度加快；反之，温度下降，则电解液传送速度减　慢，从而影响到电池充放电性能。　１．２过充电对锂离子电池性能的影响　锂离子电池在设计时，负极容量比正极容量　要高，正极产生的气体透过隔膜纸与负极产生的　镉复合。锂离子电池对使用条件的要求比较特　殊，每个锂离子电池电压要求控制在２．５～４．２　Ｖ　使用。一般情况下，电池的内压不会有明显升高，　但如果充电电流过大，或充电时间过长，锂离子电　池产生的氧气来不及被消耗，就可能造成内压升　１锂离子电池使用安全问题　１．１环境温度对锂离子电池性能的影响　在所有的环境因素中，温度对电池的充放电　性能影响最大，在电极／电解液界面上的电化学反　应与环境温度有关。温度下降，电极的反应率也　下降，如果电池电压保持恒定，则放电电流降低，　高，电池鼓气变形，漏液，甚至爆裂等不良现象；如　果使用时电压太低，会降低电池的使用寿命。因此　锂离子电池不能单独使用，必须配上电池保护电路　以保证它工作在允许电压范围之内，这样才能保证　电池的功率输出下降；温度上升，电极的反应率也　上升，电池输出功率会上升。温度的变化同时也　收稿日期：２０１２一Ｏ１．０４　作者简介：胡新福（１９７８一），男，讲师。　５６　常州工学院学报　２０１２正　锂离子电池的安全陛，并有效地延长使用寿命。　为防止锂离子电池过充电，需要对充电过程进　行监测，通常可通过检测电池电压、电池温度和电　池充电时间等多种监测方法来防止电池过充电。　１．３过放电对锂离子电池性能的影响　由于锂离子电池的化学特性，如果电池放完　内部储存的电量继续放电就会造成过放电，过放　电会使电池内压升高，正负极活性物质可逆性受　到破坏，影响电池放电性能，即使充电也只能部分　恢复，其容量也会明显衰减。特别是大电流过放　可能会给电池带来灾难性的后果。锂离子电池生　产厂家规定，电池最大放电电流不能超过２Ｃ，当　电池放电电流超过２Ｃ时，将导致电池永久性损　坏或出现安全问题。　在锂离子电池放电过程中，通常通过控制ＩＣ　检测电池放电电压，当放电电压低于设定的过放　电保护电压时，电池停止放电。　１．４其他因素对锂离子电池性能的影响　锂离子电池是一个电化学器件，但其制造过　程除了活化过程外，基本是物理过程。在电池极　片制造、电池装配、电池活化、电池组装等一系列　生产过程中，即使经过严格的检测程序，使每组电　源的电压、电阻、容量一致，但使用一段时间，也会　产生这样或那样的差异。若将不同容量或新旧电　池混在一起使用，在充电过程中，就会导致有些电　池被过充而有些电池未充满电，放电时容量高的　电池未放完电而容量低的则被过放。如此恶性循　环，有可能出现漏液、零电压等现象。　２锂离子电池保护板　２．１锂离子电池保护板作用　由于锂电池的化学特性，在正常使用过程中，　其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反　应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电、过电　流和短路，将会导致电池内部发生化学副反应，该　副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿　命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增　大后爆炸，所以，可充锂电池一般都会带有一块保　护板来保护电芯的安全。保护电路用于对电池的　充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断　充、放电回路以防止对电池造成损害，确保锂电池　的安全使用。　保护板起充、放电保护功能及电芯之间物理　连接作用。但是锂离子电池中有些保护板只有充　电保护，没有放电保护。有些锂离子电池可能没　有保护板只有五金板，五金板只起到电芯极片物　理连接，代替线的作用，无充、放电保护功能。保　护板上有ＭＯＳ管及控制Ｉｃ，五金板没有ＭＯＳ管　及控制Ｉｃ，最多只有电阻元件。　２．２锂离子电池保护板工作原理　一般锂离子电池保护板包括过充保护、过放　保护、过流保护、短路保护等功能，如图１所示，各　引脚和端口名称描述如表１所示。　　一图１锂离子电池保护板电路原理图　表１锂离子电池引脚和端口描述　端口描述　电源正极　电源负极　过流／短路检测端　放电保护执行端　充电保护执行端　电芯正极　电芯负极　保护板输出的正极　保护板输出的负极　温度电阻端口　锂离子电池保护板工作原理如下：　。为控制　Ｉｃ供电电压，　一检测ＭＯＳＦＥＴ与Ｂ一之间的压　降，当电芯电压处于３．０～４．２８　Ｖ之间时，控制　Ｉｃ的Ｄ。　及Ｃ　端输出高电平，Ｑ　、Ｑ　导通，此时　可通过Ｐ＋和Ｐ一对电池进行放电。　当电芯电压大于４．２８　Ｖ时，控制ＩＣ的Ｄ。　输出高电平，而Ｃ。　端输出低电平，ＭＯＳＦＥＴ　Ｑ：　¨　ｒ第１期　胡新福：锂离子电池保护电路应用中存在的问题及改进　５７　断开，此时处于过充电保护状态，不能通过Ｐ＋和　Ｐ一对电池进行充电。　当电芯电压小于门限电压２．４　Ｖ时，控制ＩＣ　的Ｄ　输出低电平，而ｃ。　端输出高电平，ＭＯＳＦＥＴ　Ｑ　断开，此时处于过放电保护状态，不能通过Ｐ＋　和Ｐ一对电池进行放电，过放保护后，电芯电压会　上升，当上升到ＩＣ门限电压３．０　Ｖ时，Ｄ。　恢复高　电平状态，使Ｑ，导通，取消放电保护。　当ｙ一与Ｂ一之间的压差达到０．１　Ｖ时，控　制Ｉｃ的Ｄ。　输出低电平，而ｃ　端输出高电平，　ＭＯＳＦＥＴ　Ｑ　断开，此时处于过流保护状态。　当电池工作时，虽然没有发生过充、过放或过　流、短路等情况，但由于工作时间太长，也将使电　芯温度上升很快。而ＮＴＣ电阻紧贴电芯监测电　芯温度，随着温度上升ＮＴＣ阻值逐渐下降，用电　器监测这个变化，当阻值下降到用电器的设定值　时，用电器即发出关机指令，使电池停止对其供电，　只维持很小的待机电流，达到保护电池的目的。　３锂离子电池保护电路改进　锂离子电池规格、型号不同，充电方法也不　同，因此在设计锂离子电池保护电路时需要综合　考虑多种因素。　３．１　常用锂离子保护板应用电路存在的问题　如图２为锂离子保护常用应用电路。假设使　用恒流源／限流源充电器。如果将充电器反接到　Ｐ＋和Ｐ一端，那么保护ＩＣ会认为电池处于放电　状态。在电池电压　＞Ｖ过放时不启动过放电　压保护的情况下，如果放电电流没有达到放电过　流保护的门限值，则Ｉｃ不会有保护动作，即不会　切断ＭＯＳ管，若此状况持续，当　＜Ｖ过放时，　ＩＣ会启动过放电压保护。如果此时放电流过大　导致放电过流保护启动，那么ＩＣ会立即在Ｄ　管　脚输出低电平关断ＭＯＳ管。由于恒流源／限流　源内部都有限流电阻，锂电池和充电器的电压都　会降在内部限流电阻上，但是瞬间可能对ＭＯＳ　管有影响。假设使用电压源充电器，由于锂电池　和电压源的内阻都很小，因此当使用电压源充电　器进行反向充电时，会形成短路或者放电过流，保　护Ｉｃ将会启动短路保护或者放电过流保护，在　Ｄ　管脚输出低电平关断ＭＯＳ管。　图２锂离子保护常用应用电路　３．２　锂离子保护ＩＣ的防护　由于短路保护或者放电过流保护造成Ｄ　控　制ＭＯＳ关断，在反向充电器的作用下会使　一管　脚的电平高于　。＋０．３　Ｖ，Ｖ一管脚内部可能会　被击穿，造成保护ＩＣ的损坏。为了防止这种情况　的发生，在　一和Ｐ＋之间接１个肖特基二极管　Ｄ　，（如图３所示），从而保证　一端减去　。小于　或等于０．３　Ｖ。经过测试，加入Ｄ，后对ＩＣ的正常　工作没有影响，但对ＩＣ起到了有效的保护作用。　３．３锂离子保护ＭＯＳ管的防护　由于短路保护或者放电过流保护造成Ｄ　控制ＭＯＳ关断，所以电压源的电压值会反向加　在Ｃ　管脚控制的ＭＯＳ管的ＧＳ端，此时Ｖ　＞　，当反向充电开路电压Ｅ＞ＭＯＳ管的　时，因为用于锂电保护Ｉｃ的双ＮＭＯＳ其　。，耐　压值基本为土１２　Ｖ，所以当反向充电开路电压　Ｅ＞１２　Ｖ时会击穿ＭＯＳ管，Ｃ。　管脚控制的　ＭＯＳ管会发生击穿现象。为了防止其损坏，可　以接人Ｄ：和Ｒ　（如图３所示），此时在电压源反　向充电时，Ｃ。　管脚输出被Ｄ：切断，　一＞ｖｏｍｎ，　同时由于尺。的存在，　＝　，该ＭＯＳ管不会发　生击穿现象。Ｄ　可选用快速开关二极管以减小　正常工作情况下的Ｃ。　输出延时，由于Ｃ。　的输　出电流很小，所以其压降不会很大。建议Ｒ　的　取值范围为１００　ｋｎ～１　ＭＱ，过小的阻值会造成　正常工作情况下Ｉｃ的耗流增大，而过大的阻值　则会影响ＭＯＳ管的开关速度，推荐　取值为　４７０　ｋＯ。此方案性能上的缺点仅在于正常工作　时增加了尺　的耗流。　５８　常州工学院学报　２０１２　保护ＩＣ和ＣＭＯＳ的损坏，通过对锂离子电池保　护板外围电路的改进，在电路中增加１个肖特基　二极管和１个快速开关二极管来保护电路，解决　了电池充放电过程中由于使用不当容易造成Ｉｃ　和ＣＭＯＳ损坏的问题，确保了锂离子电池的安全　性，有效地延长了电池的使用寿命。　［参考文献］　［１］夏鲲，季诺，曹斯佳．一种锂电池组均衡充电保护板设计［Ｊ］．　电气传动，２０１０，４０（１２）：６８—７２．　［２］朱爱敏，朱华．锂离子电池保护电路设计［Ｊ］．常州工学院学　报，２００５，１８（４）：３９—４１．　［３］王鑫，崔延．储能系统用锂离子电池保护电路的研究［Ｊ］电　池工业，２００９，１４（１６）：３９４—３９７．　图３锂离子保护电路防护设计　［４］邹雪城，李育超，姜娟，等．单节锂离子电池保护电路的改　进［Ｊ］．华中科技大学学报：自然科学版，２００７，３５（７）：５４—　５７．　３　结论　单节锂离子电池保护电路由于短路保护或者　［５］蒋正萍．智能单片线性锂离子电池充电器Ｉｃ设计［Ｊ］．现代电　子技术，２０１１，３４（１８）：１７５—１７７．　放电过流保护，容易造成保护板在实际应用中其　责任编辑：张秀兰