锂离子电池保护电路设计须知

　　锂离子电池随着应用领域的不断扩展数量在逐年递增，正因如此，随着锂离子电池在各个行业用量的迅速激增，电池的安全性能也日益突出，不仅要求锂离子电池具有优异的充、放电性能，还要求具有更高的安全性能。那锂电池到底为什么发生起火甚至爆炸呢，有什么措施可以避免和杜绝吗？

　　笔记本电池爆炸，不仅同其中所用的锂电池电芯的生产工艺有关，也同电池内封装的电池保护板、笔记本电脑的充放电管理电路以及笔记本的散热设计有关。笔记本电脑不合理的散热设计和充放电管理，将使电池电芯过热，从而大大增加了电芯的活性，同时增加了爆炸、燃烧的几率。

　　锂电池材料构成及性能探析

　　首先我们来了解一下锂电池的材料构成，锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。因此廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重点。

　　负极材料一般选用碳材料，目前的发展比较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素。在目前的商业化生产的锂离子电池中，正极材料的成本大约占整个电池成本的40%左右，正极材料价格的降低直接决定着锂离子电池价格的降低。对锂离子动力电池尤其如此。比如一块手机用的小型锂离子电池大约只需要5克左右的正极材料，而驱动一辆公共汽车用的锂离子动力电池可能需要高达500千克的正极材料。

　　尽管从理论上能够用作锂离子电池正极材料种类很多，常见的正极材料主要成分为 LiCoO2，充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极的化合物结合。锂离子的移动产生了电流。这就是锂电池工作的原理。

　　锂电池充放电管理设计

　　锂电池充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极的化合物结合。锂离子的移动产生了电流。原理虽然很简单，然而在实际的工业生产中，需要考虑的实际问题要多得多：正极的材料需要添加剂来保持多次充放的活性，负极的材料需要在分子结构级去设计以容纳更多的锂离子；填充在正负极之间的电解液，除了保持稳定，还需要具有良好导电性，减小电池内阻。

　　虽然锂离子电池有以上所说的种种优点，但它对保护电路的要求比较高， 在使用过程中应严格避免出现过充电、过放电现象，放电电流也不宜过大，一般而言，放电速率不应大于0.2C。锂电池的充电过程如图所示。在一个充电周期内， 锂离子电池在充电开始之前需要检测电池的电压和温度， 判断是否可充。如果电池电压或温度超出制造商允许的范围， 则禁止充电。允许充电的电压范围是：每节电池2.5V~4.2V。

　　在电池处于深放电的情况下，必须要求充电器具有预充过程，使电池满足快速充电的条件；然后，根据电池厂商推荐的快速充电速度，一般为1C，充电器对电池进行恒流充电，电池电压缓慢上升；一旦电池电压达到所设定的终止电压（一般为4.1V或4.2V），恒流充电终止，充电电流快速衰减，充电进入满充过程；在满充过程中，充电电流逐渐衰减，直到充电速率降低到C/10以下或满充时间超时时，转入顶端截止充电； 顶端截止充电时，充电器以极小的充电电流为电池补充能量。顶端截止充电一段时间后，关闭充电。

　　锂电池保护电路设计

　　由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应，该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。

　　锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流/短路保护和过放电保护，要求过充电保护高精密度、保护IC功耗低、高耐压以及零伏可充电等特性。

　　以锂电池为供电电源的电路设计中， 要求将越来越复杂的混合信号系统集成到一个小面积芯片上， 这必然给数字、模拟电路提出了低压、低功耗问题。在功耗和功能的制约中， 如何取得最佳的设计方案也是当前功耗管理技术（ PowerManagement， PM ） 的一个研究热点。另一方面， 锂电池的应用也极大地推动了相应电池管理、电池保护电路的设计开发。锂电池应用时必须要有复杂的控制电路， 来有效防止电池的过充电、过放电和过电流状态。