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鋰離子電池簡(jiǎn)介 自從鋰離子電池誕生起,安全問(wèn)題就一直伴隨著，隨著手機(jī)、平板電腦等便攜式電子設(shè)備的普及，對(duì)電池容量的要求也越來(lái)越高，同時(shí)，要求電池的體積越來(lái)越小，這就要求電池芯的能量密度高，危險(xiǎn)性也就隨之更大。因此，鋰離子電池的保護(hù)是不可缺少的，針對(duì)不同類(lèi)型的鋰離子電池，不同廠家也提出了不同的保護(hù)方案。 電池類(lèi)型及其保護(hù) 鋰離子電池有多種分類(lèi)，按照形狀可分為：圓柱形和方形；按照電解液狀態(tài)又可分為：鋰離子和鋰聚合物電池，目前，移動(dòng)電源所用電池芯大多為圓柱形的18650 cell(直徑18mm，長(zhǎng)度65mm)和方形的鋰聚合物電池芯。下面從電池結(jié)構(gòu)上來(lái)分析其安全性。 1. 圓柱形鋰離子電池(18650) 電池芯內(nèi)部有PPTC(可恢復(fù)保險(xiǎn)器件)用于過(guò)溫度及過(guò)電流保護(hù)。當(dāng)電池芯溫度過(guò)高或電流過(guò)大時(shí)，PPTC會(huì)變成高阻狀態(tài)，從而阻斷電池芯充放電電流，避免電池起火爆炸。 2. 方形鋰電池 MHP-TA及PPTC緊貼電池芯的設(shè)計(jì)可以使MHP-TA和PPTC更好的感測(cè)電池溫度，當(dāng)電池溫度異常升高時(shí)可以呈現(xiàn)高阻，阻礙電池的充放電電流，確保電池的安全使用。 保護(hù)電路可分為兩部分：主動(dòng)組件保護(hù)(保護(hù)IC和Mosfet)，又稱(chēng)為一級(jí)保護(hù)，被動(dòng)組件保護(hù)(MHP，PTC，F(xiàn)use)，又稱(chēng)為二級(jí)保護(hù)。一級(jí)保護(hù)電路主要是針對(duì)電池的過(guò)充、過(guò)放、過(guò)載及短路進(jìn)行保護(hù)，采用IC檢測(cè)電池電壓及充放電電流去控制Mosfet導(dǎo)通或關(guān)斷從而保證鋰電池工作在安全狀態(tài)。 幾種不同的電池保護(hù)方案 1．(Safety IC + Mosfet) + Fuse 這種放案里的Fuse有三種：熱保險(xiǎn)絲，普通電流保險(xiǎn)絲，慢斷型電流保險(xiǎn)絲。 熱保險(xiǎn)絲可以較好的保護(hù)電池芯由于發(fā)熱而產(chǎn)生的起火爆炸，而且成本較低。但是，由于電流大小、環(huán)境溫度、電路板溫度及電池芯溫度都容易引起熱保險(xiǎn)絲的誤動(dòng)作，其不可恢復(fù)特性使得這種放案的應(yīng)用有一定的局限性。 普通電流保險(xiǎn)絲成本低，對(duì)于電池的過(guò)充電保護(hù)效果不佳，因?yàn)槠洳荒芨袦y(cè)電池芯的溫度。電池短路容易燒斷保險(xiǎn)絲，不可恢復(fù)，電池報(bào)廢，因此，這種保護(hù)方案主要應(yīng)用于低端的鋰電池。 慢斷型電流保險(xiǎn)絲的動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)于Safety IC的過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，這就保證了Safety IC作為主動(dòng)組件的第一級(jí)保護(hù)作用，不會(huì)觸發(fā)作為二級(jí)保護(hù)的保險(xiǎn)絲，電池處于安全狀態(tài)。這種方案對(duì)于電池芯的過(guò)充電保護(hù)效果不佳，但是在電池芯安全的前提下，此種方案可以滿足LPS的要求。 2．(Safety IC + Mosfet) + PTC/MHP 鋰電池起火爆炸的可能原因： A. 由于電路參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)或組件故障導(dǎo)致保護(hù)電路實(shí)效。 B. 鋰電池芯本身不合格，即使正常充電也有可能起火爆炸。 基于以上原因，國(guó)際上針對(duì)鋰電池的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)明確要求鋰電池在一級(jí)保護(hù)失效的情況下可以安全充放電。因此，為了讓鋰電池的應(yīng)用更加安全，在一級(jí)保護(hù)電路(IC/Mosfet)的基礎(chǔ)上，又增加了一級(jí)被動(dòng)組件保護(hù)，用可恢復(fù)保險(xiǎn)器件(PTC或MHP)去檢測(cè)電池芯的溫度，當(dāng)溫度異常升高時(shí)PTC或MHP立刻呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，阻礙電池的充放電，從而防止鋰電池的起火爆炸，保護(hù)原理如下圖。由圖可知，當(dāng)電池溫度升高時(shí)，PTC動(dòng)作，充電回路高阻，電流接近零，電池溫度迅速下降。 下圖為模擬6串電池的過(guò)充電測(cè)試，目的是探測(cè)電池不同位置的溫度變化。 下圖為另一個(gè)電池溫度的試驗(yàn) 上面的試驗(yàn)結(jié)果都表明，電池的電極部位是溫度最高的，因此，PTC/MHP連接電池電極可以有效地防止電池的起火爆炸，這種方案是目前最為有效的，也是被絕大多數(shù)電池廠家所采用的。 3．雙(Safety IC + Mosfet) 采用雙重主動(dòng)組件保護(hù)可以提供保護(hù)電路的可靠性，降低保護(hù)組件的失效概率，同時(shí)，可以滿足安規(guī)的要求。但是，對(duì)于電池型的保護(hù)并不是非常完善的。 下圖是導(dǎo)致電池起火的一些原因。 不論何種原因，鋰電池起火爆炸前都表現(xiàn)為電池溫度急劇升高，如果沒(méi)有被動(dòng)組件PTC/MHP感測(cè)電池溫度，即使雙重保護(hù)也不能防止電池的起火爆炸。 雙重保護(hù)電路大大降低了鋰電池芯的過(guò)充電、短路及反向充電的概率，但是，對(duì)于本身就存在問(wèn)題的電池芯卻無(wú)能為力，而據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約85%以上的電池起火爆炸都是因?yàn)殡姵匦颈旧淼膯?wèn)題，所以，單從保護(hù)電路防止電池起火作用有限。 總結(jié) 隨著鋰電池芯能量密度的不斷提高，安全性會(huì)更加受到重視，基于上述幾種鋰電池保護(hù)方案的分析比較，(Safety IC + Mosfet) + PTC/MHP保護(hù)方案更能有效地防止鋰電池在使用過(guò)程中發(fā)生起火爆炸，目前，這種方案是應(yīng)用最為廣泛的，性價(jià)比也是最高的。 |
