采用能量收集中的过压保护锂离子电池的安全

描述

锂离子电池的运行范围很小,这取决于操作安全性和整体电池寿命。为了确保适当的工作电压水平,工程师可以使用半导体制造商的各种专用IC(包括ADI公司,Atmel公司,Maxim Integrated公司,Skyworks公司,意法半导体公司和德州仪器公司等)为电能采集设计构建电压监控功能。

锂离子电池通常充电至标称电压4.20 V,容差约为±50 mV。根据特征充电曲线(图1),电池通过恒定电流阶段达到此设定点电压,该电流快速提升电荷水平和恒定电压阶段,使电池达到其最大电荷水平。

锂离子电池

图1:锂离子电池的特性恒定电流/恒定电压充电曲线使电池达到最佳充电点,超过该充电点即可施加更高电压导致细胞应激和最终损伤(德州仪器公司提供)。

虽然施加超过4.2 V设定点的更高电压可以暂时增加电池容量,但更高的电压会导致电池内部发生变化。在经受长时间过电压条件的电池中,锂离子开始在阳极上镀覆,从而减少了游离锂离子的数量,并导致电池充电容量和整个电池寿命的损失。此外,持续施加超过设定点的电压水平会导致氧化效应,从而导致产生CO2。如果允许过压条件持续存在,则增加的CO2压力可能导致电池内部安全膜破裂,从而导致灾难性的热失控甚至燃烧。

为了防止过压情况,工程师可以从一系列专用器件中进行选择,包括针对典型锂离子电池设计的IC,电池数量有限,专为大型多电池堆设计的IC,专为环境能量设计的IC - 采用高度集成的MCU进行设计,甚至是基于软件的解决方案。

锂离子电池保护

设计人员可以使用各种可用的锂离子充电IC(如STMicroelectronics STBC21,Skyworks Solutions AAT3783或德州仪器BQ24314A)保护仅包含少量电池的锂离子电池。

这些器件通常提供在发生过压情况时触发的信号。例如,ST STBC21具有内置过压保护功能,当VBAT(存储设备引脚上的电压)超过工厂设定的4.23 V±20 mV时触发报警。

通过Skyworks AAT3783,工程师可以使用出厂设置的过压跳变点或使用连接到专用OVP引脚的外部电阻对设定点进行编程。当输入电压超过此跳变点时,AAT3783关闭内部P沟道FET,断开输入。

同样,德州仪器(TI)BQ24314A监控输入电压,并在过压条件下使用内部开关断开。断开快速发生:在BQ24314A中,内部FET开关在不到一微秒的时间内关闭。在输入电压恢复到适当的电平后,FET再次导通,但在延迟后允许输入电压稳定。

电池组

确保适当的电压水平对于电动汽车中使用的大型电池组尤其重要。 ADI公司的AD7280A等器件具有关键功能,包括确保大串锂离子电池安全所需的过压保护。对于过压保护,ADI公司的AD7280A提供动态报警功能,如果电池电压超过用户设定的上限阈值,则会触发该功能。

通常情况下,该器件可以级联排列,以监控单个串中的大量单元,使用多路复用高速ADC对单个单元电压进行采样。

在AD7280A中,警报信号可以类似地以菊花链形式连接,以警告下游MCU电池组中发生故障。 ADI公司还提供AD8280,这是一种仅用于监控电池电压水平的硬件解决方案。

集成解决方案

对于环境能量收集设计,Maxim Integrated MAX17710等专用器件提供完整的解决方案,集成了充电和保护锂离子存储器件所需的全部功能。对于过压保护,器件处理高于存储设备设定点电压的输入源电压,调节或分流过剩功率(图2)。

锂离子电池

图2:对于高压能源,工程师可以使用外部二极管,如Diodes,Inc。的ZLLS410TA,并依靠Maxim Integrated MAX17710 IC的内部分流器来防止过充电(由Maxim Integrated提供)。

另一款针对环境能量收集的设备,德州仪器BQ25504还为使用锂离子电池的超低功耗设计提供完整的充电管理解决方案。与同类产品中的其他器件一样,BQ25504可根据用户编程的过压和欠压水平监控最大和最小电压。该器件允许工程师使用外部电阻设置过压(VBAT_OV)阈值电平,以防止锂离子电池受到过压状况的影响。当输入电压达到合适的电平时,器件使用与目标设定点相同的阈值电平,为存储设备提供稳压输出。

STMicroelectronics SPV1040是一款脉冲宽度调制(PWM)升压转换器,专为环境能量采集而设计,具有内置最大功率点跟踪(MPPT)和监控功能。在包括过压情况的故障事件期间,SPV1040会停止PWM切换,以防止损坏自身或下游电路。设计人员可以将ST SPV1040作为能量采集输入级与锂离子电池充电器IC(例如ST L6924D)作为输出级,以构建完整的太阳能电池充电器。

除了这些基于硬件的解决方案外,工程师还可以使用高度集成的MCU(如Microchip PIC16F178x MCU系列)为MCU设计构建过压保护。利用片上模拟比较器和ADC,设计人员可以通过编程方式监控电池电压,并采取必要措施恢复正常的电压水平(图3)。

锂离子电池

图3:工程师可以使用高度集成的MCU(如PIC16F178x MCU系列)中提供的片上模拟比较器,为基于MCU的能量收集增加过压保护设计(由Microchip Technology提供)。

结论

安全和性能考虑因素推动了锂离子电池过压保护的需求。当受到过压条件时,这些电池会失去充电能力,甚至会因热失控和燃烧而发生灾难性故障。使用专用IC或集成MCU,工程师可以轻松构建能量收集中的过压保护,以最大限度地提高锂离子存储设备的容量,寿命和安全性。

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