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鋰電池保護電路的必要性

文章來(lái)源：永阜康科技更新時(shí)間：2021/9/4 11:46:00

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目錄: 前提背景及意義; 解決方案

低功耗鋰電池保護電路的前提背景及意義

由于鋰電池能量密度高，在過(guò)度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過(guò)剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，容易使內壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險；反之，在過(guò)度放電狀態(tài)下，電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化，降低可充電次數，縮短了電池使用壽命。因此對鋰電池的保護非常重要，鋰電池應用中必須要有電池保護芯片，來(lái)防止電池的過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流。

綜上所述，鋰電池保護電路的設計是十分重要的。但是鋰電池保護電路會(huì )增加電池能量的額外損耗，減少電池的應用時(shí)間，這就要求鋰電池保護電路要能在高精度下實(shí)現低功耗。一款鋰電池保護芯片除了要能完成過(guò)充電保護、過(guò)放電保護和過(guò)電流保護等基本功能外，還要滿(mǎn)足以下要求——這也是本文所設計芯片的目標。

(1)超低功耗。鋰電池保護電路在工作時(shí)，其消耗的功耗就是電池的損耗。因此，我們要把鋰電池保護電路的功耗降到最低。
(2)高精準檢測電壓。為了使鋰電池保護電路對于電池的不同工作狀態(tài)做出正確的響應，保護電路必須能精準的檢測出過(guò)充保護電壓、過(guò)放保護電壓等電壓參數。
(3)大電壓范圍下正確工作。由于鋰電池保護電路的供電電壓為電池電壓，而電池電壓可在較大范圍內浮動(dòng)，故要求鋰電池保護電路在該電壓范圍內能正確地工作。

鋰電池保護電路方案

目前使用的各類(lèi)電池中，鋰電池(也稱(chēng)鋰離子二次電池或鋰離子蓄電池)是近十幾年才發(fā)展起來(lái)的一種新型電源。鋰電池有別于一般的化學(xué)電源，其充放電工作過(guò)程是通過(guò)鋰離子在電池正負極中的嵌入和脫嵌來(lái)實(shí)現的。鋰電池的負極是碳素材料，例如石墨；正極是含鋰的過(guò)渡金屬氧化物，例如鈷氧化鋰(LiC002)。并且鋰電池正負極材料均采用鋰離子可以自由嵌入和脫離出的具有層狀結構的鋰離子嵌入化合物，處于層間的鋰離子，在適當的電解液中，會(huì )發(fā)生電化學(xué)反應。充電時(shí)，在外部電場(chǎng)的驅動(dòng)下鋰離子從正極晶格中脫出，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)，嵌入到負極晶格中。放電時(shí)的過(guò)程正好相反，鋰離子返回正極，電子則通過(guò)外部電路到達正極與鋰離子復合。

與常用的鎳鎘、鎳氫電池相比較，鋰電池有許多優(yōu)越特性，主要表現在以下幾個(gè)方面：
(1)鋰電池供電電壓高，一般為3．6V，約為鎳鎘電池、鎳氫電池電壓的3倍。對于供電電壓要求較高的電子設備，電池組所需串聯(lián)電池數也可大大減少。因此組合使用的鋰電池容易獲得更高的電壓。

(2)比能量高，即同重量的鋰電池提供的能量比其它電池高。鋰電池的比能量一般為鎳鎘電池、鎳氫電池的2～3倍。因此有利于便攜式電子設備小型輕量化。

(3)無(wú)記憶效應。鎳鎘電池、鎳氫電池都有記憶效應，必須進(jìn)行定期放電，否則就會(huì )因記憶效應導致電池失效。而鋰電池無(wú)記憶效應，不必理會(huì )殘余電量的多少，可直接進(jìn)行充電。這樣就使鋰電池效能得到充分發(fā)揮。

(4)使用壽命長(cháng)。鋰電池采用碳負極，在充放電過(guò)程中碳負極不會(huì )生成金屬鋰，從而可以避免電池因內部金屬鋰短路而損壞。目前，鋰電池的循環(huán)壽命可達 5000次以上，遠遠高于其它各類(lèi)電池。

(5)工作環(huán)境溫度范圍寬，一般可在一30℃川0℃之間工作，具有優(yōu)良的高低溫放電性能。

(6)自放電率低。自放電率又稱(chēng)電荷保持率，是指電池放置不用時(shí)自動(dòng)放電的多少。鋰電池的自放電率為2％～5％，鎳鎘電池在25％～30％之間，鎳氫電池在 30％～35％之間。因此，同樣環(huán)境下鋰電池保持電荷的時(shí)間最長(cháng)。

(7)鋰電池不含任何汞、鎘等有毒元素，是真正的綠色環(huán)保電池。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，鋰電池被廣泛應用在便攜式電子設備中。而另一方面，鋰電池因其能量密度高，使得難以確保電池的安全性。具體而言，在過(guò)充電狀態(tài)下，電解質(zhì)會(huì )被分解，使得電池內部的溫度和壓力上升；在過(guò)放電狀態(tài)下，負極中的電解材料——銅會(huì )熔化而造成內部短路，使溫度升高：在外部電路短路或放電電第一章緒論3 流過(guò)大時(shí)，由于高內阻的特性，電池內部功率消耗增加，溫度也會(huì )上升，可能引起電解液的氧化或分解，導致鋰電池壽命縮短。除此之外，假若鋰電池進(jìn)行過(guò)度的放電，則會(huì )使電池內的電解液產(chǎn)生變化，可循環(huán)充電的次數會(huì )因此而減少，進(jìn)而影響鋰電池的使用壽命。

由于鋰電池存在上述所分析的缺點(diǎn)，在鋰電池的應用中必須加上保護電路。保護電路的基本功能也要和上述缺點(diǎn)相對應，于是我們要求鋰電池電源保護芯片要能實(shí)現以下幾個(gè)最基本的功能：過(guò)充電保護、過(guò)放電保護、過(guò)電流保護以及短路保護。由以上鋰電池的應用要求可知，為提高鋰電池的使用壽命并保證電池的安全使用，鋰電池保護電路需要具有以下功能：

(1)如果充電電壓超過(guò)電池允許的最大值，能夠提供電池放電回路。
(2)如果放電電壓低于電池允許的最小值，能夠提供電池充電回路。則切斷電池與外部電路的連接，并且則切斷電池與外部電路的連接，并且
(3)如果電池的充、放電電流大于極限值，則切斷電池與外部電路的連接。
(4)當電池回復正常狀態(tài)后，保護電路應能相應的解除保護狀態(tài)，使電池能夠繼續正常工作。

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