锂离子电池保护线路浅谈

05-08

锂离子电池保护线路浅谈

经常在论坛上看到这样一种观点:"长时间充电对锂离子电池不会有损害,这是因为有保护电路的存在."
　　
　　我想这里有两个问题要澄清:
　　1.长时间对锂离子电池充电,如果是用的原装正品的充电器或座充,确实是不会有损害的.这个不是因为保护线路的功劳,而是靠充电线路的严格精确的设计来保证的.
　　2.有保护线路的存在,并不能完全的防止锂离子电池的过充的发生,保护线路只有在电池过充的时候才会起防止进一步过充的作用.
　　
　　这是几个数据
　　RICOH推出的适合4.2V锂离子电池的保护芯片,其过充保护电压是4.35V+/-0.05V,日本精工SIEKO推出的8241系列中适合4.2V锂离子电池的保护芯片,其过充保护电压是4.275V+/-0.025V
　　　　
　　而锂离子电池充饱的时候,其电池电压应该落在4.20V+/-0.04V之间,并没有触发保护线路动作.之所以厂家说明长时间充电不会过充是因为手机的充电管理确保在电池电压已经到达4.20V以后不会继续充电.而是保持监视状态.
　　　　
　　等到了过充保护的电压,比如4.275V,这个锂离子电池已经是过充了,此时保护线路才被切断.防止进一步过充的危险.
　　　　
　　讲完了这个认识误区,下面带大家认识一下手机锂离子电池的内部机构.主要谈一下锂离子的保护线路的功能及其工作原理.有兴趣的网友可以往下看:
　　
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　　锂离子保护线路全解剖
　　
　　一般用户接触到手机锂离子电池,在外面看到的除了电池外壳,还有就是几个五金触片了,如图中"电池正极,电池负极"就是的电池正负极输出.
　　
　　　　　┏━━Fuse━━━━━┳━━━━━━━━━┫电池正极
　　　　　┃　　　　　　　　　R1
　　　　　┃　　　　　　　　　┃
　　　　　┇　　　　　　　　┏┻━━┓　
　　　　┏┻┓　　　　　　　┃保护IC┃
　　　┏┻━┻┓　　　　　┏┫　　　┃
　　　┃　　　┃　　　　　┃┗━━┳┛　　　┏━━┫标识电阻
　　　┃锂离子┃　　　　　┃　　　┃　　　　┃
　　　┃电芯　┃　　　　　┃　　　┃　　　　R2
　　　┃　　　┃　　　　　┃　　　┃　　　　┃
　　　┗━┳━┛　　　　　┃　　　┻Mosfet ┃
　　　　　┃　　　　　　　┃　　┏╈┓　　　┃
　　　　　┗━━━━━━━┻━━┻┛┗━━━┻━━┫电池负极
　　
　　而实际真正供电的源泉是电池塑料壳里面的锂离子电池芯,但是由于锂离子电芯的"娇嫩"的特性,比如过充和过放,大电流放电,短路等非常规动作都会对锂离子电芯造成极大的伤害.所以保护线路的功能就是在上述非常规动作发生时及时的切断回路.保护锂离子电芯.而这些保护动作就是图中的保护IC来判断,由它来控制一对Mosfet场效应管来导通和切断主供电回路,对锂离子电芯进行保护.
　　
　　市面上常用的这种保护IC的生产厂商有SEIKO精工,RICOH理光,Motorala摩托罗拉半导体等.
　　以精工的S8241系列芯片来具体介绍各项保护功能.
　　众所周知,以恒压充电限制电压来划分,锂离子电池有4.1V恒压充电和4.2V恒压充电两种类型.现在4.1V的版本已经很少,绝大多数是4.2V的恒压充电类型的.下面的数据就只针对4.2V恒压充电的锂离子电池来讨论.
　　
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　　保护IC+Mosfet可以实现的功能如下(四大保护):
　　1.过充保护,当电池芯的电压超过设定值时,由保护IC切断Mosfet管.等电芯电压回归到允许的电压是,重新恢复Mosfet管的导通.
　　
　　过充检测电压:4.275V+/-0.025V,电芯电压一超过这个值,就触发过充保护
　　过充释放电压:4.175V+/-0.030V,处于过充保护的电芯电压只有降到这个值时才会停止保护.
　　过充保护延时:1秒.当电压持续超过过充检测电压1秒以上才会触发过充保护,这个是为了防止误判和误操作而设置的.
　　
　　2.过放保护,当电池芯的电压降低得超过设定值时,由保护IC切断Mosfet管.等电芯电压回归到允许的电压时,重新恢复Mosfet管的导通.
　　
　　过放检测电压:2.3V+/-0.08V
　　过放释放电压:2.4V
　　过放保护延时:125毫秒
　　参数的含义与过充保护的类似,不赘述.
　　
　　3.过流保护,当工作电流超出设定值时,由保护IC切断Mosfet管.等工作电流回归到允许的电压是,重新恢复Mosfet管的导通.
　　
　　过流电流压降:0.1V,这里保护IC判断的是电流流过Mosfet而产生的压降,用这个电压除于Mosfet的导通阻抗就可以近似得到过流保护的电流.一般在3~5A左右.
　　过流延时:8毫秒,注意这个延时比前面的几个过充过放的延时要短许多.
　　
　　4.短路.其实这个功能是过流保护的扩展,当保护IC检测电池输出正负极之间电压小于规定值时,认为此时电池处于短路状态,立即切断回路.等短路的故障排除再恢复回路.短路时电池的输出正负极的电压为零,而实际电芯的电压还是正常的.
　　短路检测延时:10微秒,这个延时更是短暂,几乎是短路的瞬间就切断了回路,可以避免短路对电池带来的巨大损伤.
　　
　　还有一个参数,称为保护IC的自耗,如上图,可以看到,保护IC是通过电阻R1利用了电芯的电压来进行工作的.不可避免的要消耗一部分电池的容量.一般保护IC的功耗是做的非常小的.在3微安左右,最大不超过6微安.
　　
　　在保护回路里面还有一个器件,如上图标示的Fuse,就是保险丝.它是串联在电池的回路中.它的作用是在保护线路失效的情况下,作为最后的防线,对于过流或高温的锂离子电池进行切断回路的动作.该Fuse根据工作原理分为一次性保险丝(就象家里电表下用的那种)和可恢复保险丝(又称为PTC).
　　
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　　有了如此完备的保护线路,一般用户想用坏锂离子电池都有点困难.但是这并不是意味着用户可以随意的滥用锂离子电池.同样有许多的地方是需要注意的.
　　下图是根据锂离子电池电压根据实际使用划分的几个区域.
　　
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　　高压危险区
　　---------------保护线路过充保护电压(4.275~4.35V)
　　高压警戒区
　　---------------锂离子电池充电限制电压4.20V
　　正常使用区
　　---------------锂离子电池放电终止电压(2.75~3.00V)
　　低压警戒区
　　---------------保护线路过放保护电压(2.3~2.5V)
　　低压危险区
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　　1.在正常使用区内.锂离子电池可以正常发挥其特性,也没有危险.
　　2.高压警戒区.虽然这个区域处于保护线路的保护范围之内,并不意味着此时锂离子电池也是安全的.长期处于这种程度的过充,会很快的降低电池的循环寿命.
　　据我测试,将新锂离子电池充电到4.3V使用可以比充电到4.2V的锂离子电池提高15%左右的容量,但是在50次循环以后,其容量衰减到原来的80%,寿命整整缩短了10倍.记得网友battery老兄喜欢把锂离子电池过充了用,这样可以暂时提高前几次循环的容量,容量不够了就换一节新的.我们广大网友恐怕没有这个资本,还是老老实实的使用吧.这种低度过充的锂离子电池往往在几十次循环以后就会产生发鼓等变形.
　　3.低压警戒区.处于该区域的锂离子电池不适合快速充电,要先用小电流将电池电压提升到3.0V以上才可以快速充电.否则容易导致锂离子极性材料发生不良反应,影响电池性能.而这个电压的锂离子电池也非常容易因为电池本身的自耗和锂离子保护线路的自耗很快的掉近低压危险区.那就危险了.而且这个自耗是保护线路无法保护的.
　　4.低压危险区,长期处于低压危险区的锂离子电池,性能将近一步恶化.
　　在低电压(小于2V)或更低的电压情况下,正极材料的钴锂酸(又称尖晶石)晶格发生变化,其晶体机构会以枝晶形式生产.这种枝晶发展长大的话会戳穿正负极的隔膜,导致电池微短路.进一步恶化电池的性能.甚至导致电池发生膨胀,彻底报废.
　　5.高压危险区.此时保护线路已经失效,或者根本没有保护线路.在这个区域的锂离子电池(特别是4.8V以上),锂离子内部会发生剧烈的反应,产生强大的热量,导致电池内压正极,使电芯变形,不同于低度过充,这种变化是一次性的,即一次高度过充就可以造成电池发鼓.甚至爆炸.
　　
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　　以下是几点锂离子电池的与保护线路相关的注意事项
　　1.不要试图直接短路锂离子电池来强行放电.这样做只有两种结果,一是保护线路起作用,那么什么事也不会发生.二是保护线路失效,那样就会造成过流或直接电芯的短路,就会触发fuse动作,如果里面也没有fuse的保护(很多杂牌锂离子电池就是没有fuse或PTC),那么这种短路的瞬间电流将达到十几甚至几十安培,足以烧毁线路板,使导线发红.要是碰上皮肤那就更惨了.
　　2.不要使用不合格(没有认证)的充电器或座充,锂离子电池的充电过充需要严格的电压控制,这点做的不好的充电器会对锂离子电池造成低度过充,虽然最后有保护线路的保护,但是已经过充了.
　　3.不要在电池两端加高压,保护芯片也有极限的承受电压,一般在12V左右,在往上往往会击穿保护芯片.
　　4.不要逆接电池正负极进行充电,同样会损伤保护IC
　　5.注意锂离子电池的使用环境,潮湿,高温,静电会导致保护IC或Mosfet失效的.手机落入水中,在记得吹干手机主板的同时,也要对锂离子电池进行晾干处理,但不要用电吹风吹干.高温(60度以上)对锂离子电池是有害的.
　　
　　很有趣的是第一点.有兴趣的网友可以根据锂离子电池保护线路的短路保护功能来测试一下你的保护线路是否有效.最后找一个指针式的直流电流表(5A量程左右),对电池的正负极直接短路,你可以看到电流表指针会动一下并迅速归零.这就说明在几个微妙之内保护线路已经动作了.这是检测你的锂离子电池有没有保护线路的一个简单有效的办法.采用数字式的电流表也行,都要把量程设成最大的安培档(2A以上的).
　　　　
　　以上谈论的是单节锂离子电池的保护线路,不包括串联两节以上的保护IC,道理大同小异.
　　
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　　在第一个图中,我画了一个标识电阻R2,如果这个电阻是个常规的定值电阻,那么就是手机用来区别电池类型用的.三星的手机在隐藏菜单中可以看到这个电阻值.他们的手机用不同的电阻来区分不同容量的电池(厚薄电)
　　
　　如果这个电池是个热敏电阻(NTC),那么它就可以告诉手机或充电器电池的温度,因此手机或充电器就有了对电池温度的检测能力.当电池温度超出范围(比如0度~40度以外),手机或座充就不对锂离子电池进行充电动作.这也是对锂离子电池的保护.
　　
　　有些电池会有两个以上的标识电阻(一个常规电阻,一个热敏电阻)或专用的识别芯片来执行这个功能.原理都是一样的.目的就是确保更好的的使用锂离子电池.
　　

非常感谢，学到了不少！

是犯错误了。

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