【導(dǎo)讀】自從鋰離子電池誕生起, 安全問題就一直是個(gè)突出的難以解決的問題。而隨著手機(jī)、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(shí), 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(xiǎn)性也就隨之增加。因此, 鋰離子電池的保護(hù)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(hù)方案。在本文高級(jí)應(yīng)用工程師對如何進(jìn)行電路保護(hù)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(dòng)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(xiǎn)器件）用于過溫度及過電流保護(hù)。當(dāng)電池芯溫度過高或電流過大時(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。
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），又稱為一級(jí)保護(hù)，被動(dòng)組件保護(hù)（MHP，PTC，F(xiàn)use），又稱為二級(jí)保護(hù)。一級(jí)保護(hù)電路主要是針對電池的過充、過放、過載及短路進(jìn)行 保護(hù)，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(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(xiǎn)絲的誤動(dòng)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(xiǎn)絲成本低，對于電池的過充電保護(hù)效果不佳，因?yàn)槠洳荒芨袦y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)間長于 Safety IC 的過電流保護(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)。這種方案對于電池芯的過充電保護(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
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，國際上針對鋰電池的安規(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)，使用可恢復(fù)保險(xiǎn)器件（PTC 或 MHP）去檢測電池芯的溫度，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，如果沒有被動(dòng)組件 PTC / MHP 感測電池溫度，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(jì)，大約85% 以上的電池起火爆炸都是因?yàn)殡姵匦颈旧淼膯栴}，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。
本文是高級(jí)應(yīng)用工程師 何一兵先生 發(fā)表在電路保護(hù)博客
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