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锂电池保护电路的必要性
文章来源:永阜康科技 更新时间:2021/9/4 11:46:00
  随着科学技术的不断进步与发展,越来越多的便携式电子产品诸如移动电话、笔记本电脑、PDA、数码摄像机不断涌现,极大的丰富和方便了人们的生活。现在这些便携式电子设备已经成为人们生活中不可缺少的一部分,并且有着极为广阔的市场前景和发展空间。由于这些电子产品均朝小型化、轻型化、可携带化方向发展,对其使用的电源也提出了更高的要求。因此对于体积小、重量轻、能量密度高的二次电池需求相当迫切。相对于镍镉、镍氢电池,锂电池由于具有体积小、质量轻、能量密度大、无记忆效应、使用寿命长、使用范围广、工作电压高和自放电率低等优点,使得锂电池成为了应用最广的二次电池。

目录
前提背景及意义
解决方案

低功耗锂电池保护电路的前提背景及意义

由于锂电池能量密度高,在过度充电状态下,电池温度上升后能量将过剩,于是电解液分解而产生气体,容易使内压上升而产生自燃或破裂的危险;反之,在过度放电状态下,电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化,降低可充电次数,缩短了电池使用寿命。因此对锂电池的保护非常重要,锂电池应用中必须要有电池保护芯片,来防止电池的过充电、过放电和过电流。

综上所述,锂电池保护电路的设计是十分重要的。但是锂电池保护电路会增加电池能量的额外损耗,减少电池的应用时间,这就要求锂电池保护电路要能在高精度下实现低功耗。一款锂电池保护芯片除了要能完成过充电保护、过放电保护和过电流保护等基本功能外,还要满足以下要求——这也是本文所设计芯片的目标。

(1)超低功耗。锂电池保护电路在工作时,其消耗的功耗就是电池的损耗。因此,我们要把锂电池保护电路的功耗降到最低。
(2)高精准检测电压。为了使锂电池保护电路对于电池的不同工作状态做出正确的响应,保护电路必须能精准的检测出过充保护电压、过放保护电压等电压参数。
(3)大电压范围下正确工作。由于锂电池保护电路的供电电压为电池电压,而电池电压可在较大范围内浮动,故要求锂电池保护电路在该电压范围内能正确地工作。

锂电池保护电路方案

目前使用的各类电池中,锂电池(也称锂离子二次电池或锂离子蓄电池)是近十几年才发展起来的一种新型电源。锂电池有别于一般的化学电源,其充放电工作过程是通过锂离子在电池正负极中的嵌入和脱嵌来实现的。锂电池的负极是碳素材料,例如石墨;正极是含锂的过渡金属氧化物,例如钴氧化锂(LiC002)。并且锂电池正负极材料均采用锂离子可以自由嵌入和脱离出的具有层状结构的锂离子嵌入化合物,处于层间的锂离子,在适当的电解液中,会发生电化学反应。充电时,在外部电场的驱动下锂离子从正极晶格中脱出,经过电解质,嵌入到负极晶格中。放电时的过程正好相反,锂离子返回正极,电子则通过外部电路到达正极与锂离子复合。

与常用的镍镉、镍氢电池相比较,锂电池有许多优越特性,主要表现在以下几个方面:
(1)锂电池供电电压高,一般为3.6V,约为镍镉电池、镍氢电池电压的3倍。对于供电电压要求较高的电子设备,电池组所需串联电池数也可大大减少。因此组合使用的锂电池容易获得更高的电压。

(2)比能量高,即同重量的锂电池提供的能量比其它电池高。锂电池的比能量一般为镍镉电池、镍氢电池的2~3倍。因此有利于便携式电子设备小型轻量化。

(3)无记忆效应。镍镉电池、镍氢电池都有记忆效应,必须进行定期放电,否则就会因记忆效应导致电池失效。而锂电池无记忆效应,不必理会残余电量的多少,可直接进行充电。这样就使锂电池效能得到充分发挥。

(4)使用寿命长。锂电池采用碳负极,在充放电过程中碳负极不会生成金属锂,从而可以避免电池因内部金属锂短路而损坏。目前,锂电池的循环寿命可达 5000次以上,远远高于其它各类电池。

(5)工作环境温度范围宽,一般可在一30℃川0℃之间工作,具有优良的高低温放电性能。

(6)自放电率低。自放电率又称电荷保持率,是指电池放置不用时自动放电的多少。锂电池的自放电率为2%~5%,镍镉电池在25%~30%之间,镍氢电池在 30%~35%之间。因此,同样环境下锂电池保持电荷的时间最长。

(7)锂电池不含任何汞、镉等有毒元素,是真正的绿色环保电池。

基于以上优点,锂电池被广泛应用在便携式电子设备中。而另一方面,锂电池因其能量密度高,使得难以确保电池的安全性。具体而言,在过充电状态下,电解质会被分解,使得电池内部的温度和压力上升;在过放电状态下,负极中的电解材料——铜会熔化而造成内部短路,使温度升高:在外部电路短路或放电电第一章绪论3 流过大时,由于高内阻的特性,电池内部功率消耗增加,温度也会上升,可能引起电解液的氧化或分解,导致锂电池寿命缩短。除此之外,假若锂电池进行过度的放电,则会使电池内的电解液产生变化,可循环充电的次数会因此而减少,进而影响锂电池的使用寿命。

由于锂电池存在上述所分析的缺点,在锂电池的应用中必须加上保护电路。保护电路的基本功能也要和上述缺点相对应,于是我们要求锂电池电源保护芯片要能实现以下几个最基本的功能:过充电保护、过放电保护、过电流保护以及短路保护。由以上锂电池的应用要求可知,为提高锂电池的使用寿命并保证电池的安全使用,锂电池保护电路需要具有以下功能:

(1)如果充电电压超过电池允许的最大值,能够提供电池放电回路。
(2)如果放电电压低于电池允许的最小值,能够提供电池充电回路。则切断电池与外部电路的连接,并且则切断电池与外部电路的连接,并且
(3)如果电池的充、放电电流大于极限值,则切断电池与外部电路的连接。
(4)当电池回复正常状态后,保护电路应能相应的解除保护状态,使电池能够继续正常工作。
 
 
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