|
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(zhù)，隨著(zhù)手機、平板電腦等便攜式電子設備的普及，對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，危險性也就隨之更大。因此，鋰離子電池的保護是不可缺少的，針對不同類(lèi)型的鋰離子電池，不同廠(chǎng)家也提出了不同的保護方案。 電池類(lèi)型及其保護 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(cháng)度65mm)和方形的鋰聚合物電池芯。下面從電池結構上來(lái)分析其安全性。 1. 圓柱形鋰離子電池(18650) 電池芯內部有PPTC(可恢復保險器件)用于過(guò)溫度及過(guò)電流保護。當電池芯溫度過(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。 2. 方形鋰電池 MHP-TA及PPTC緊貼電池芯的設計可以使MHP-TA和PPTC更好的感測電池溫度，當電池溫度異常升高時(shí)可以呈現高阻，阻礙電池的充放電電流，確保電池的安全使用。 保護電路可分為兩部分：主動(dòng)組件保護(保護IC和Mosfet)，又稱(chēng)為一級保護，被動(dòng)組件保護(MHP，PTC，Fuse)，又稱(chēng)為二級保護。一級保護電路主要是針對電池的過(guò)充、過(guò)放、過(guò)載及短路進(jìn)行保護，采用IC檢測電池電壓及充放電電流去控制Mosfet導通或關(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方案 1．(Safety IC + Mosfet) + Fuse 這種放案里的Fuse有三種：熱保險絲，普通電流保險絲，慢斷型電流保險絲。 熱保險絲可以較好的保護電池芯由于發(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絲的誤動(dòng)作，其不可恢復特性使得這種放案的應用有一定的局限性。 普通電流保險絲成本低，對于電池的過(guò)充電保護效果不佳，因為其不能感測電池芯的溫度。電池短路容易燒斷保險絲，不可恢復，電池報廢，因此，這種保護方案主要應用于低端的鋰電池。 慢斷型電流保險絲的動(dòng)作時(shí)間長(cháng)于Safety IC的過(guò)電流保護動(dòng)作時(shí)間，這就保證了Safety IC作為主動(dòng)組件的第一級保護作用，不會(huì )觸發(fā)作為二級保護的保險絲，電池處于安全狀態(tài)。這種方案對于電池芯的過(guò)充電保護效果不佳，但是在電池芯安全的前提下，此種方案可以滿(mǎn)足LPS的要求。 2．(Safety IC + Mosfet) + PTC/MHP 鋰電池起火爆炸的可能原因： A. 由于電路參數設計不當或組件故障導致保護電路實(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，國際上針對鋰電池的安規標準明確要求鋰電池在一級保護失效的情況下可以安全充放電。因此，為了讓鋰電池的應用更加安全，在一級保護電路(IC/Mosfet)的基礎上，又增加了一級被動(dòng)組件保護，用可恢復保險器件(PTC或MHP)去檢測電池芯的溫度，當溫度異常升高時(shí)PTC或MHP立刻呈現高阻狀態(tài)，阻礙電池的充放電，從而防止鋰電池的起火爆炸，保護原理如下圖。由圖可知，當電池溫度升高時(shí)，PTC動(dòng)作，充電回路高阻，電流接近零，電池溫度迅速下降。 下圖為模擬6串電池的過(guò)充電測試，目的是探測電池不同位置的溫度變化。 下圖為另一個(gè)電池溫度的試驗 上面的試驗結果都表明，電池的電極部位是溫度最高的，因此，PTC/MHP連接電池電極可以有效地防止電池的起火爆炸，這種方案是目前最為有效的，也是被絕大多數電池廠(chǎng)家所采用的。 3．雙(Safety IC + Mosfet) 采用雙重主動(dòng)組件保護可以提供保護電路的可靠性，降低保護組件的失效概率，同時(shí)，可以滿(mǎn)足安規的要求。但是，對于電池型的保護并不是非常完善的。 下圖是導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為電池溫度急劇升高，如果沒(méi)有被動(dòng)組件PTC/MHP感測電池溫度，即使雙重保護也不能防止電池的起火爆炸。 雙重保護電路大大降低了鋰電池芯的過(guò)充電、短路及反向充電的概率，但是，對于本身就存在問(wèn)題的電池芯卻無(wú)能為力，而據統計，大約85%以上的電池起火爆炸都是因為電池芯本身的問(wèn)題，所以，單從保護電路防止電池起火作用有限。 總結 隨著(zhù)鋰電池芯能量密度的不斷提高，安全性會(huì )更加受到重視，基于上述幾種鋰電池保護方案的分析比較，(Safety IC + Mosfet) + PTC/MHP保護方案更能有效地防止鋰電池在使用過(guò)程中發(fā)生起火爆炸，目前，這種方案是應用最為廣泛的，性?xún)r(jià)比也是最高的。 |
