锂电池保护电路中比较重要的两个保护器件

qwqwqw2088 · 发表于2016-11-10 08:52

锂电池保护电路中比较重要的两个保护器件 [复制链接]

近几个月，三星手机爆炸，轰动全球。使得锂电池用于电子产品的设计越来越显得非常重要。比如，手机、数码相机、音乐播放器、平板电脑、超级本及笔记本电脑几乎人手必备，而为这些电子产品提供能量的则是锂离子电池。
电子产品应用功能的日益强大，对于锂电池的要求也越来越高，容量大，体积小而且薄，这就使得锂电池的能量密度越来越高，对安全的要求也就更高了。容量的增大导致充电时间增加，经常需要4、5个小时才能充满电，因此，各家手机制造商都在加紧研究开发快速充电技术。
　　去年年底，国内两家知名手机制造商O和M先后推出了具有快速充电功能的新一代手机，O公司宣传的闪充技术相比传统充电速度提高4倍多，30分钟可以充到75%电量，而且10分钟充电就可以通话2个小时。而M公司的宣传是1小时能充电60%，2.5小时充满。不论实际充电效果如何，相信快速充电是大趋势，很快越来越多的厂家都会推出快速充电的电子产品。
　　下面我们先来看看锂电池充电的原理。

两种快速充电的分析
　　O公司的闪充是保持传统的5V充电电压，提高充电电流，大电流充电对于电池芯的要求高，可能会影响电池寿命，甚至导致电池发热带来安全隐患。因此，O公司与电池芯厂家联合开发了适合大电流充电的锂电池芯，而且采用多触点、并联方式分散电流，在充电电路及锂电池上共采用了五级安全保护，保险丝也在其中，确保安全。
　　M公司的设计是采用了高通公司的Quick Charge 2.0技术，提高充电器输出电压及电流的方式来实现电池的快速充电，输出电压从5V提高到9V，电流也从1A提高的1.6 A，下一代的规范会继续将电流提高到2.0A。目前M公司推出的手机支持两种标准的快速充电器，5V/2A （苹果标准），1小时充电40%，3小时充满；9V/1.2A（高通标准），1 小时充电60%，2.5小时充满，效率提高15%。由于高电压的充电对锂电池的安全保护要求更高，因此，采用较为保险的小电流方式充电，速度略有提高。相信下一代产品将会进一步提高充电电流，大幅提高充电速度。
　　不论是采用大电流/普通电压、高电压/普通电流还是高电压/高电流，快速充电的本质是提高输入功率，对于锂电池来说，都是需要研发适合大电流充电的电池芯，通过大电流充电来满足快速充电的需求。
　　随着对锂电池容量的要求越来越高，锂电池厂家也在加快新型电池的研发，额定充电电压从传统的4.2V提高到4.35V，目前又出现了4.4V充电电压的锂电池，容量进一步提高。而传统的充电器输出电压为5V，充电控制电路会调节充电电压和电流满足锂电池的充电特性。不同锂电池的化学特性不同，因此充放电性能及安全性能也就不同，有的电池芯适合大电流充放电，而有些电池芯可以耐高电压，所以，采用何种快速充电方式要取决于锂电池芯的具体特性。提高充电器的输出电压可以在恒流阶段提高充电功率，实现快速充电。
　　下图是锂电池的快速充电的特性曲线：

锂离子电池由于其自身特性，在过充电、过放电、短路等情况下极易发生安全事故，所以除IC+MosFET的一级保护外还应该有被动器件组成的二级保护，以最大限度地保证锂离子电池的安全。
　　如图是典型的单节锂离子电池保护电路。

下图是锂离子电池过充电测试的一个事例。可以看出充电过程中锂离子电池芯内部温度和电压的变化情况，正常1C充电时，电池芯的温度随恒流充电慢慢升高，而随恒压阶段电流减小慢慢降低，整个过程温度可控，安全。当大电流（2C或以上）时，电池芯内部反应剧烈发生热失控，温度急剧升高而发生起火或爆炸。

　因此，不论哪种方式的快速充电，都是通过提高充电电流或功率来加速锂电池芯内部的反应来实现的，必须通过更多的保护来防止由于电池芯的热失控而引起的起火甚至爆炸。

qwqwqw2088 · 发表于2016-11-10 09:00

可复式保险丝PPTC和可重置热关断器件MHP-TA 可以有效地提供这种保护，MHP-TA是结合了双金属片和PPTC的温度/电流保护器件，温度保护更加精确，可以适用于电流较大、温度保护要求更高的电子设备，如：智能手机、平板电脑、超级本、笔记本电脑等。MHP-TA及PPTC的特性及应用如下图，紧贴电池芯的设计可以使MHP-TA和PPTC更好的感测电池温度，当电池温度异常升高时可以呈现高阻，阻碍电池的充放电电流，确保电池的安全使用。