鋰離子電池簡(jiǎn)介
自從鋰離子電池誕生起, 安全問(wèn)題就一直伴隨著, 隨著手機(jī)、平板電腦等便攜式電子設(shè)備的普及,對(duì)電池容量的要求也越來(lái)越高, 同時(shí), 要求電池的體積越來(lái)越小, 這就要求電池芯的能量密度高, 而危險(xiǎn)性也就隨之增加。因此, 鋰離子電池的保護(hù)是不可缺少的,針對(duì)不同類(lèi)型的鋰離子電池,不同廠家也提出了不同的保護(hù)方案。
鋰離子電池有多種分類(lèi),按照形狀可分為:圓柱形和方形;按照電解液狀態(tài)又可分為:鋰離子和鋰聚合物電池,目前,移動(dòng)電源所用電池芯大多為圓柱形的18650 cell(直徑18mm, 長(zhǎng)度65mm)和方形的鋰聚合物電池芯。下面從電池結(jié)構(gòu)上來(lái)分析其安全性。
電池芯內(nèi)部有PPTC(可恢復(fù)保險(xiǎn)器件)用于過(guò)溫度及過(guò)電流保護(hù)。當(dāng)電池芯溫度過(guò)高或電流過(guò)大時(shí),PPTC 會(huì)變成高阻狀態(tài),從而阻斷電池芯充放電電流,避免電池起火爆炸。
圓柱形鋰離子電池
2. 方形鋰電池
MHP-TA 及 PPTC 緊貼電池芯的設(shè)計(jì)可以使 MHP-TA 和 PPTC 更好的感測(cè)電池溫度,當(dāng)電池溫度異常升高時(shí)可以呈現(xiàn)高阻,阻礙電池的充放電電流,確保電池的安全使用。
方形鋰電池
保護(hù)電路可分為兩部分:主動(dòng)組件保護(hù)(保護(hù) IC 和 MOSFET),又稱(chēng)為一級(jí)保護(hù),被動(dòng)組件保護(hù)(MHP,PTC,F(xiàn)use),又稱(chēng)為二級(jí)保護(hù)。一級(jí)保護(hù)電路主要是針對(duì)電池的過(guò)充、過(guò)放、過(guò)載及短路進(jìn)行保護(hù),采用IC 檢測(cè)電池電壓及充放電電流去控制 MOSFET 導(dǎo)通或關(guān)斷從而保證鋰電池工作在安全狀態(tài)。
幾種不同的電池保護(hù)方案:
1.(Safety IC + MOSFET)+ Fuse
這種放案里的 Fuse 有三種:熱保險(xiǎn)絲, 普通電流保險(xiǎn)絲,慢斷型電流保險(xiǎn)絲。
熱保險(xiǎn)絲可以較好的保護(hù)電池芯避免因發(fā)熱而產(chǎn)生的起火爆炸,而且成本較低。但是,由于電流大小、環(huán)境溫度、電路板溫度及電池芯溫度都容易引起熱保險(xiǎn)絲的誤動(dòng)作,其不可恢復(fù)特性使得這種方案的應(yīng)用有一定的局限性。
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普通電流保險(xiǎn)絲成本低,對(duì)于電池的過(guò)充電保護(hù)效果不佳,因?yàn)槠洳荒芨袦y(cè)電池芯的溫度。電池短路容易燒斷保險(xiǎn)絲,不可恢復(fù),電池報(bào)廢,因此,這種保護(hù)方案主要應(yīng)用于低端的鋰電池。
慢 斷型電流保險(xiǎn)絲的動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)于 Safety IC 的過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間,這就保證了 Safety IC 作為主動(dòng)組件的第一級(jí)保護(hù)作用,不會(huì)觸發(fā)作為二級(jí)保護(hù)的保險(xiǎn)絲,電池處于安全狀態(tài)。這種方案對(duì)于電池芯的過(guò)充電保護(hù)效果不佳,但是在電池芯安全的前提下, 此種方案可以滿足 LPS 的要求。
2.(Safety IC + Mosfet)+ PTC/MHP
鋰電池起火爆炸的可能原因:
A. 由于電路參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)或組件故障導(dǎo)致保護(hù)電路實(shí)效。
B. 鋰電池芯本身不合格,即使正常充電也有可能起火爆炸。
基于以上原因,國(guó)際上針對(duì)鋰電池的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)明確要求鋰電池在一級(jí)保護(hù)失效的情況下可以安全充放電。因此,為了讓鋰電池的應(yīng)用更加安全,在一級(jí)保護(hù)電路 (IC/MOSFET)的基礎(chǔ)上,又增加了一級(jí)被動(dòng)組件保護(hù),使用可恢復(fù)保險(xiǎn)器件(PTC 或 MHP)去檢測(cè)電池芯的溫度,當(dāng)溫度異常升高時(shí),PTC 或 MHP 立刻呈現(xiàn)高阻狀態(tài),阻礙電池的充放電,從而防止鋰電池的起火爆炸,保護(hù)原理如下圖。由圖可知,當(dāng)電池溫度升高時(shí),PTC 動(dòng)作,充電回路高阻,電流接近零,電池溫度迅速下降。
3. 雙(Safety IC + MOSFET)
下圖是導(dǎo)致電池起火的一些原因。
不論何種原因,鋰電池起火爆炸前都表現(xiàn)為電池溫度急劇升高,如果沒(méi)有被動(dòng)組件 PTC / MHP 感測(cè)電池溫度,即使雙重保護(hù)也不能防止電池的起火爆炸。
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電路保護(hù):由壓敏電阻器組成的保護(hù)電路設(shè)計(jì)