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鋰電池保護(hù)電路的必要性

發(fā)布時(shí)間：2023-01-04 00:00:00 瀏覽：1521次

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，越來越多的便攜式電子產(chǎn)品諸如移動(dòng)電話、筆記本電腦、PDA、數(shù)碼攝像機(jī)不斷涌現(xiàn)，極大的豐富和方便了人們的生活?，F(xiàn)在這些便攜式電子設(shè)備已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分，并且有著極為廣闊的市場前景和發(fā)展空間。由于這些電子產(chǎn)品均朝小型化、輕型化、可攜帶化方向發(fā)展，對其使用的電源也提出了更高的要求。因此對于體積小、重量輕、能量密度高的二次電池需求相當(dāng)迫切。相對于鎳鎘、鎳氫電池，鋰電池由于具有體積小、質(zhì)量輕、能量密度大、無記憶效應(yīng)、使用壽命長、使用范圍廣、工作電壓高和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，使得鋰電池成為了應(yīng)用最廣的二次電池。

前提背景及意義

解決方案

低功耗鋰電池保護(hù)電路的前提背景及意義

由于鋰電池能量密度高，在過度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，容易使內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險(xiǎn)；反之，在過度放電狀態(tài)下，電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化，降低可充電次數(shù)，縮短了電池使用壽命。因此對鋰電池的保護(hù)非常重要，鋰電池應(yīng)用中必須要有電池保護(hù)芯片，來防止電池的過充電、過放電和過電流。

綜上所述，鋰電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是十分重要的。但是鋰電池保護(hù)電路會(huì)增加電池能量的額外損耗，減少電池的應(yīng)用時(shí)間，這就要求鋰電池保護(hù)電路要能在高精度下實(shí)現(xiàn)低功耗。一款鋰電池保護(hù)芯片除了要能完成過充電保護(hù)、過放電保護(hù)和過電流保護(hù)等基本功能外，還要滿足以下要求——這也是本文所設(shè)計(jì)芯片的目標(biāo)。

(1)超低功耗。鋰電池保護(hù)電路在工作時(shí)，其消耗的功耗就是電池的損耗。因此，我們要把鋰電池保護(hù)電路的功耗降到最低。

(2)高精準(zhǔn)檢測電壓。為了使鋰電池保護(hù)電路對于電池的不同工作狀態(tài)做出正確的響應(yīng)，保護(hù)電路必須能精準(zhǔn)的檢測出過充保護(hù)電壓、過放保護(hù)電壓等電壓參數(shù)。

(3)大電壓范圍下正確工作。由于鋰電池保護(hù)電路的供電電壓為電池電壓，而電池電壓可在較大范圍內(nèi)浮動(dòng)，故要求鋰電池保護(hù)電路在該電壓范圍內(nèi)能正確地工作。

鋰電池保護(hù)電路方案

目前使用的各類電池中，鋰電池(也稱鋰離子二次電池或鋰離子蓄電池)是近十幾年才發(fā)展起來的一種新型電源。鋰電池有別于一般的化學(xué)電源，其充放電工作過程是通過鋰離子在電池正負(fù)極中的嵌入和脫嵌來實(shí)現(xiàn)的。鋰電池的負(fù)極是碳素材料，例如石墨；正極是含鋰的過渡金屬氧化物，例如鈷氧化鋰(LiC002)。并且鋰電池正負(fù)極材料均采用鋰離子可以自由嵌入和脫離出的具有層狀結(jié)構(gòu)的鋰離子嵌入化合物，處于層間的鋰離子，在適當(dāng)?shù)碾娊庖褐?，?huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。充電時(shí)，在外部電場的驅(qū)動(dòng)下鋰離子從正極晶格中脫出，經(jīng)過電解質(zhì)，嵌入到負(fù)極晶格中。放電時(shí)的過程正好相反，鋰離子返回正極，電子則通過外部電路到達(dá)正極與鋰離子復(fù)合。

與常用的鎳鎘、鎳氫電池相比較，鋰電池有許多優(yōu)越特性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)鋰電池供電電壓高，一般為3．6V，約為鎳鎘電池、鎳氫電池電壓的3倍。對于供電電壓要求較高的電子設(shè)備，電池組所需串聯(lián)電池?cái)?shù)也可大大減少。因此組合使用的鋰電池容易獲得更高的電壓。

(2)比能量高，即同重量的鋰電池提供的能量比其它電池高。鋰電池的比能量一般為鎳鎘電池、鎳氫電池的2～3倍。因此有利于便攜式電子設(shè)備小型輕量化。

(3)無記憶效應(yīng)。鎳鎘電池、鎳氫電池都有記憶效應(yīng)，必須進(jìn)行定期放電，否則就會(huì)因記憶效應(yīng)導(dǎo)致電池失效。而鋰電池?zé)o記憶效應(yīng)，不必理會(huì)殘余電量的多少，可直接進(jìn)行充電。這樣就使鋰電池效能得到充分發(fā)揮。

(4)使用壽命長。鋰電池采用碳負(fù)極，在充放電過程中碳負(fù)極不會(huì)生成金屬鋰，從而可以避免電池因內(nèi)部金屬鋰短路而損壞。目前，鋰電池的循環(huán)壽命可達(dá) 5000次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它各類電池。

(5)工作環(huán)境溫度范圍寬，一般可在一30℃川0℃之間工作，具有優(yōu)良的高低溫放電性能。

(6)自放電率低。自放電率又稱電荷保持率，是指電池放置不用時(shí)自動(dòng)放電的多少。鋰電池的自放電率為2％～5％，鎳鎘電池在25％～30％之間，鎳氫電池在 30％～35％之間。因此，同樣環(huán)境下鋰電池保持電荷的時(shí)間最長。

(7)鋰電池不含任何汞、鎘等有毒元素，是真正的綠色環(huán)保電池。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，鋰電池被廣泛應(yīng)用在便攜式電子設(shè)備中。而另一方面，鋰電池因其能量密度高，使得難以確保電池的安全性。具體而言，在過充電狀態(tài)下，電解質(zhì)會(huì)被分解，使得電池內(nèi)部的溫度和壓力上升；在過放電狀態(tài)下，負(fù)極中的電解材料——銅會(huì)熔化而造成內(nèi)部短路，使溫度升高：在外部電路短路或放電電第一章緒論3 流過大時(shí)，由于高內(nèi)阻的特性，電池內(nèi)部功率消耗增加，溫度也會(huì)上升，可能引起電解液的氧化或分解，導(dǎo)致鋰電池壽命縮短。除此之外，假若鋰電池進(jìn)行過度的放電，則會(huì)使電池內(nèi)的電解液產(chǎn)生變化，可循環(huán)充電的次數(shù)會(huì)因此而減少，進(jìn)而影響鋰電池的使用壽命。

由于鋰電池存在上述所分析的缺點(diǎn)，在鋰電池的應(yīng)用中必須加上保護(hù)電路。保護(hù)電路的基本功能也要和上述缺點(diǎn)相對應(yīng)，于是我們要求鋰電池電源保護(hù)芯片要能實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)最基本的功能：過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(hù)以及短路保護(hù)。由以上鋰電池的應(yīng)用要求可知，為提高鋰電池的使用壽命并保證電池的安全使用，鋰電池保護(hù)電路需要具有以下功能：

(1)如果充電電壓超過電池允許的最大值，能夠提供電池放電回路。

(2)如果放電電壓低于電池允許的最小值，能夠提供電池充電回路。則切斷電池與外部電路的連接，并且則切斷電池與外部電路的連接，并且

(3)如果電池的充、放電電流大于極限值，則切斷電池與外部電路的連接。

(4)當(dāng)電池回復(fù)正常狀態(tài)后，保護(hù)電路應(yīng)能相應(yīng)的解除保護(hù)狀態(tài)，使電池能夠繼續(xù)正常工作。