【導(dǎo)讀】自從鋰離子電池誕生起, 安全問題就一直是個突出的難以解決的問題。而隨著手機、平板電腦等便攜式電子設(shè)備的普及，對電池容量的要求也越來越高, 同時, 要求電池的體積越來越小, 這就要求電池芯的能量密度高, 而危險性也就隨之增加。因此, 鋰離子電池的保護是不可缺少的，針對不同類型的鋰離子電池，不同廠家也提出了不同的保護方案。在本文高級應(yīng)用工程師對如何進行電路保護提出了幾種可行的方案并作了分析和對比。
鋰離子電池有多種分類，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，移動電源所用電池芯大多為圓柱形的18650 cell（直徑18mm, 長度65mm）和方形的鋰聚合物電池芯。下面從電池結(jié)構(gòu)上來分析其安全性。
1. 圓柱形鋰離子電池（18650）
電池芯內(nèi)部有PPTC（可恢復(fù)保險器件）用于過溫度及過電流保護。當(dāng)電池芯溫度過高或電流過大時，PPTC 會變成高阻狀態(tài)，從而阻斷電池芯充放電電流，避免電池起火爆炸。
MHP-TA 及 PPTC 緊貼電池芯的設(shè)計可以使 MHP-TA 和 PPTC 更好的感測電池溫度，當(dāng)電池溫度異常升高時可以呈現(xiàn)高阻，阻礙電池的充放電電流，確保電池的安全使用。
保護電路可分為兩部分：主動組件保護（保護 IC 和 MOSFET），又稱為一級保護，被動組件保護（MHP，PTC，F(xiàn)use），又稱為二級保護。一級保護電路主要是針對電池的過充、過放、過載及短路進行 保護，采用IC 檢測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方案
1.（Safety IC + MOSFET）+ Fuse
這種放案里的 Fuse 有三種：熱保險絲， 普通電流保險絲，慢斷型電流保險絲。
熱保險絲可以較好的保護電池芯避免因發(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絲的誤動作，其不可恢復(fù)特性使得這種方案的應(yīng)用有一定的局限性。
普通電流保險絲成本低，對于電池的過充電保護效果不佳，因為其不能感測電池芯的溫度。電池短路容易燒斷保險絲，不可恢復(fù)，電池報廢，因此，這種保護方案主要應(yīng)用于低端的鋰電池。
慢 斷型電流保險絲的動作時間長于 Safety IC 的過電流保護動作時間，這就保證了 Safety IC 作為主動組件的第一級保護作用，不會觸發(fā)作為二級保護的保險絲，電池處于安全狀態(tài)。這種方案對于電池芯的過充電保護效果不佳，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
A. 由于電路參數(shù)設(shè)計不當(dāng)或組件故障導(dǎo)致保護電路實效。
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，國際上針對鋰電池的安規(guī)標準明確要求鋰電池在一級保護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，在一級保護電路 （IC/MOSFET）的基礎(chǔ)上，又增加了一級被動組件保護，使用可恢復(fù)保險器件（PTC 或 MHP）去檢測電池芯的溫度，當(dāng)溫度異常升高時，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，保護原理如下圖。由圖可知，當(dāng)電池溫度升高時，PTC 動作，充電回路高阻，電流接近零，電池溫度迅速下降。
下圖為另一個電池溫度的試驗
上面的試驗結(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）
采用雙重主動組件保護可以提供保護電路的可靠性，降低保護組件的失效概率，同時，可以滿足安規(guī)的要求。但是，對于電池型的保護并不是非常完善的。
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，如果沒有被動組件 PTC / MHP 感測電池溫度，即使雙重保護也不能防止電池的起火爆炸。
雙重保護電路大大降低了鋰電池芯的過充電、短路及反向充電的概率，但是，對于本身就存在問題的電池芯卻無能為力，而據(jù)統(tǒng)計，大約85% 以上的電池起火爆炸都是因為電池芯本身的問題，所以，單從保護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不斷提高，安全性會更加受到重視，基于上述幾種鋰電池保護方案的分析比較，(Safety IC + MOSFET) + PTC/MHP 保護方案更能有效地防止鋰電池在使用過程中發(fā)生起火爆炸，目前，這種方案是應(yīng)用最為廣泛的，性價比也是最高的。
本文是高級應(yīng)用工程師 何一兵先生 發(fā)表在電路保護博客
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