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鋰電池智能充電管理與電路保護設(shè)計

發(fā)布時間:2010-07-16 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng)整理

鋰電池智能充電管理與電路保護專題

經(jīng)常關(guān)注筆記本市場的網(wǎng)友,一定對2006發(fā)生的索尼電池召回事件印象深刻。作為全球第二大筆記本電池生產(chǎn)廠商,索尼在06年短短4個月的時間里,對電池的召回數(shù)量就接近1000萬。而在全球筆記本搭配的鋰電池中,索尼生產(chǎn)的電池市場占有率高達25%,因此此次事件的負面影響很大。在隨后的幾年中多家知名電腦公司規(guī)模巨大的召回行動,更加重了消費者對鋰電池安全性的擔憂和思考。

隨著便攜式設(shè)備不斷小型化、輕量化和高性能化的日益提高,作為其電源的二次電池市場正迅速拓寬,而鋰離子電池的眾多優(yōu)點使其成為了二次電池的主流產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計,鋰離子電池的全球需求已達13億只,并隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展,這一數(shù)據(jù)在逐年遞增。正因如此,隨著鋰離子電池在各個行業(yè)用量的迅速激增,電池的安全性能也日益突出,不僅要求鋰離子電池具有優(yōu)異的充、放電性能,還要求具有更高的安全性能。

那鋰電池到底為什么發(fā)生起火甚至爆炸呢,有什么措施可以避免和杜絕嗎?電子元件技術(shù)網(wǎng)精心搜集和整理社區(qū)內(nèi)鋰電池技術(shù)文章,此次本月談聚焦鋰電池智能充放電管理和電路保護設(shè)計,涉及鋰電池材料結(jié)構(gòu)、鋰電池工作原理、鋰電池智能充放電管理、鋰電池保護電路設(shè)計等多個方面,解析鋰電池制造工藝、散熱設(shè)計、低功耗設(shè)計技巧對產(chǎn)品安全性的影響,結(jié)合鋰電池在電動車保護電路設(shè)計案例,幫助工程師解決設(shè)計中的難點和挑戰(zhàn)。

如筆記本電池爆炸,不僅同其中所用的鋰電池電芯的生產(chǎn)工藝有關(guān),也同電池內(nèi)封裝的電池保護板、筆記本電腦的充放電管理電路以及筆記本的散熱設(shè)計有關(guān)。筆記本電腦不合理的散熱設(shè)計和充放電管理,將使電池電芯過熱,從而大大增加了電芯的活性,同時增加了爆炸、燃燒的幾率。

鋰電池材料構(gòu)成及性能探析

首先我們來了解一下鋰電池的材料構(gòu)成,鋰離子電池的性能主要取決于所用電池內(nèi)部材料的結(jié)構(gòu)和性能。這些電池內(nèi)部材料包括負極材料、電解質(zhì)、隔膜和正極材料等。其中正、負極材料的選擇和質(zhì)量直接決定鋰離子電池的性能與價格。因此廉價、高性能的正、負極材料的研究一直是鋰離子電池行業(yè)發(fā)展的重點。

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負極材料一般選用碳材料,目前的發(fā)展比較成熟。而正極材料的開發(fā)已經(jīng)成為制約鋰離子電池性能進一步提高、價格進一步降低的重要因素。在目前的商業(yè)化生產(chǎn)的鋰離子電池中,正極材料的成本大約占整個電池成本的40%左右,正極材料價格的降低直接決定著鋰離子電池價格的降低。對鋰離子動力電池尤其如此。比如一塊手機用的小型鋰離子電池大約只需要5克左右的正極材料,而驅(qū)動一輛公共汽車用的鋰離子動力電池可能需要高達500千克的正極材料。

盡管從理論上能夠用作鋰離子電池正極材料種類很多,常見的正極材料主要成分為 LiCoO2,充電時,加在電池兩極的電勢迫使正極的化合物釋出鋰離子,嵌入負極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中。放電時,鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出,重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動產(chǎn)生了電流。這就是鋰電池工作的原理。

鋰電池幾種正極材料的優(yōu)缺點http://www.yonglehk.com/club/space.php?uid=633&do=blog&id=9124

鋰電池充放電管理設(shè)計
鋰電池充電時,加在電池兩極的電勢迫使正極的化合物釋出鋰離子,嵌入負極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中。放電時,鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出,重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動產(chǎn)生了電流。原理雖然很簡單,然而在實際的工業(yè)生產(chǎn)中,需要考慮的實際問題要多得多:正極的材料需要添加劑來保持多次充放的活性,負極的材料需要在分子結(jié)構(gòu)級去設(shè)計以容納更多的鋰離子;填充在正負極之間的電解液,除了保持穩(wěn)定,還需要具有良好導電性,減小電池內(nèi)阻。

雖然鋰離子電池有以上所說的種種優(yōu)點,但它對保護電路的要求比較高, 在使用過程中應(yīng)嚴格避免出現(xiàn)過充電、過放電現(xiàn)象,放電電流也不宜過大,一般而言,放電速率不應(yīng)大于0.2C。鋰電池的充電過程如圖所示。在一個充電周期內(nèi), 鋰離子電池在充電開始之前需要檢測電池的電壓和溫度, 判斷是否可充。如果電池電壓或溫度超出制造商允許的范圍, 則禁止充電。允許充電的電壓范圍是:每節(jié)電池2.5V~4.2V。
 
在電池處于深放電的情況下,必須要求充電器具有預(yù)充過程,使電池滿足快速充電的條件;然后,根據(jù)電池廠商推薦的快速充電速度,一般為1C,充電器對電池進行恒流充電,電池電壓緩慢上升;一旦電池電壓達到所設(shè)定的終止電壓(一般為4.1V或4.2V),恒流充電終止,充電電流快速衰減,充電進入滿充過程;在滿充過程中,充電電流逐漸衰減,直到充電速率降低到C/10以下或滿充時間超時時,轉(zhuǎn)入頂端截止充電; 頂端截止充電時,充電器以極小的充電電流為電池補充能量。頂端截止充電一段時間后,關(guān)閉充電。

鋰電池充放電幾點誤區(qū)http://www.yonglehk.com/club/space.php?uid=633&do=blog&id=9125
鋰電池在線充放電管理電路的設(shè)計http://www.yonglehk.com/bbs/viewthread.php?tid=35794

鋰電池保護電路設(shè)計
由于鋰離子電池的化學特性,在正常使用過程中,其內(nèi)部進行電能與化學能相互轉(zhuǎn)化的化學正反應(yīng),但在某些條件下,如對其過充電、過放電和過電流將會導致電池內(nèi)部發(fā)生化學副反應(yīng),該副反應(yīng)加劇后,會嚴重影響電池的性能與使用壽命,并可能產(chǎn)生大量氣體,使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導致安全問題,因此所有的鋰離子電池都需要一個保護電路,用于對電池的充、放電狀態(tài)進行有效監(jiān)測,并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對電池發(fā)生損害。

鋰離子電池保護電路原理分析http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80007014
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鋰離子電池保護電路包括過度充電保護、過電流/短路保護和過放電保護,要求過充電保護高精密度、保護IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。下面的文章將詳細介紹了這三種保護電路的原理、新功能和特性要求,對工程師設(shè)計和研發(fā)保護電路有參考價值。

鋰電池保護電路綜述http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80007028
多節(jié)鋰離子電池的充放電保護:http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80005803  

鋰電池保護電路設(shè)計案例分享
以鋰電池為供電電源的電路設(shè)計中, 要求將越來越復(fù)雜的混合信號系統(tǒng)集成到一個小面積芯片上, 這必然給數(shù)字、模擬電路提出了低壓、低功耗問題。在功耗和功能的制約中, 如何取得最佳的設(shè)計方案也是當前功耗管理技術(shù)( PowerManagement, PM ) 的一個研究熱點。另一方面, 鋰電池的應(yīng)用也極大地推動了相應(yīng)電池管理、電池保護電路的設(shè)計開發(fā)。鋰電池應(yīng)用時必須要有復(fù)雜的控制電路, 來有效防止電池的過充電、過放電和過電流狀態(tài)。

鋰離子電池用保護電路的低功耗設(shè)計http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80002815

從電動自行車能源轉(zhuǎn)變趨勢論述了采用超低功耗、高性能MSP430F20X3設(shè)計電動自行車的鋰電池充、放電保護電路的方案。該方案從系統(tǒng)架構(gòu)、充放電電路、檢測及保護電路設(shè)計的每一個細節(jié)論述設(shè)計的全過程,為電動自行車電源的設(shè)計者提供了比較全面的參考。

電動自行車鋰電池充放電保護方案http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80007029
電動汽車用鋰離子電池進展簡析http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80006452

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