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試比較鋰離子電池不同的電路保護方案

發布時間：2014-09-02 責任編輯：stone

【導讀】自從鋰離子電池誕生起, 安全問題就一直伴隨著, 隨著手機、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越高, 同時, 要求電池的體積越來越小, 這就要求電池芯的能量密度高, 而危險性也就隨之增加。因此, 鋰離子電池的保護是不可缺少的，針對不同類型的鋰離子電池，不同廠家也提出了不同的保護方案。

鋰離子電池簡介

自從鋰離子電池誕生起, 安全問題就一直伴隨著, 隨著手機、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越高, 同時, 要求電池的體積越來越小, 這就要求電池芯的能量密度高, 而危險性也就隨之增加。因此, 鋰離子電池的保護是不可缺少的，針對不同類型的鋰離子電池，不同廠家也提出了不同的保護方案。

電池類型及其保護：

鋰離子電池有多種分類，按照形狀可分為：圓柱形和方形；按照電解液狀態又可分為：鋰離子和鋰聚合物電池，目前，移動電源所用電池芯大多為圓柱形的18650 cell（直徑18mm, 長度65mm）和方形的鋰聚合物電池芯。下面從電池結構上來分析其安全性。

1. 圓柱形鋰離子電池（18650）

電池芯內部有PPTC（可恢復保險器件）用于過溫度及過電流保護。當電池芯溫度過高或電流過大時，PPTC 會變成高阻狀態，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。
方形鋰電池

保護電路可分為兩部分：主動組件保護（保護 IC 和 MOSFET），又稱為一級保護，被動組件保護（MHP，PTC，Fuse），又稱為二級保護。一級保護電路主要是針對電池的過充、過放、過載及短路進行保護，采用IC 檢測電池電壓及充放電電流去控制 MOSFET 導通或關斷從而保證鋰電池工作在安全狀態。

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避免因發熱而產生的起火爆炸，而且成本較低。但是，由于電流大小、環境溫度、電路板溫度及電池芯溫度都容易引起熱保險絲的誤動作，其不可恢復特性使得這種方案的應用有一定的局限性。
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普通電流保險絲成本低，對于電池的過充電保護效果不佳，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作時間長于 Safety IC 的過電流保護動作時間，這就保證了 Safety IC 作為主動組件的第一級保護作用，不會觸發作為二級保護的保險絲，電池處于安全狀態。這種方案對于電池芯的過充電保護效果不佳，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，又增加了一級被動組件保護，使用可恢復保險器件（PTC 或 MHP）去檢測電池芯的溫度，當溫度異常升高時，PTC 或 MHP 立刻呈現高阻狀態，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，PTC 動作，充電回路高阻，電流接近零，電池溫度迅速下降。