鋰電池保護電路
關注創建者：匿名 創建時間：2021-12-29
鋰電池保護電路的實例教程
鋰離子電池電壓范圍
10.剖析鋰電池保護電路的工作原理
舉一個不恰當的例子，電池的充放電就像孩子喝母乳一樣。
1，如果一直讓孩子喝，家長不加以控制，那么這個奶可能會被喝光，類似電池過放；
2，如果家長一直不給孩子喝奶，這個奶就會積攢越來越多，類似電池過充；
3，如果孩子喝奶喝的急，容易嗆奶，類似電池的過電流保護；
科學喝奶，規律喝奶，需要家長的監督，那電池如何做到科學充電和放電呢？
鋰電池都有一個使用的安全電壓區間，最高和最低電壓一般被稱為充放電終止電壓或截止電壓，當電池的實際工作電壓長時間低于放電終止電壓或者長時間高于充電終止電壓時，電池內部將發生不可逆轉的傷害，嚴重傷害電池，導致性能下降，俗稱電池衰減，電池衰減的表現就是電池的內阻增大，容量下降等。
所以一般鋰離子電池內部會有一個小的PCB板，和電池封裝在一起，如下圖所示，主要作用就是用來保護電池。
紅色框選部分為電池保護板
這個電路板根據組成電路不同，一般會有過放保護、過充保護、過流保護、短路保護以及控制IC失效之后的FUSE保護這幾種，下面會以一個常見的電路，講解這幾種保護的工作原理。
11.鋰電池保護板組成
一般的鋰電池保護板由控制IC、MOS管、電阻電容、保險絲FUSE等組成，如下圖所示。
展開 來源 | 高分子科學前沿
鋰(Li)金屬電極由于其超高的理論比容量(3860mAh g
-1)和最低的電化學電位(-3.040 V vs標準氫電極)，可以滿足下一代儲能系統的能量密度要求。然而，鋰金屬電池(LMB)的商業化有兩個嚴重的問題：不可控的鋰枝晶生長問題和不穩定的固態電解質界面(SEI)問題。(1)由于循環過程中負極側不均勻的鋰沉積，不可控的鋰枝晶生長會導致電池庫侖效率(CE)低、內部短路甚至失效(圖示1a)。(2)鋰金屬與有機電解質反應形成的本征SEI膜具有機械脆性，無法適應較大的體積變化。這種本征SEI層破裂后，暴露在外的金屬Li與有機電解質之間繼續發生副反應，導致SEI更厚，電池循環穩定性降低。為了解決上述問題，研究人員已經嘗試了許多策略來穩定鋰金屬電極，其中，構建具有綜合柔韌性、高效離子導電通道和機械魯棒性的保護層是實現穩定、無枝晶鋰金屬電極的有效途徑。此外，開發具有上述特性的固態電解質可以消除液態LMB固有的低安全性和低性能問題。
動態聚合物網絡具有獨特的適應性、自愈性和可回收性，近年來在能源相關應用中得到了廣泛關注。其自適應行為可以適應Li負極在循環過程中的體積變化。聚合物電解質/保護層的自愈性可以自動修復機械損傷，恢復聚合物電解質/保護層的功能，從而提高LMB的循環穩定性。根據動態鍵的類型，動態聚合物網絡可分為動態物理網絡和動態共價網絡。后者，通常被稱為“類玻璃體”，在室溫下它們類似于傳統的熱固性材料，而由于可逆化學鍵的動態性質，其在熱/光等外部刺激下具有延展性和可回收性。相比之下，動態共價網絡具有機械穩定性和耐溶劑性的優勢，在電池應用中，特別是作為保護層，至關重要。迄今為止，人們一直致力于開發基于動態共價網絡的固態聚合物電解質(SPE)，以提高其在LMB中的電化學性能。
展開 五十年代末期，世界上出現了第一塊集成電路，它把許多晶體管等電子元件集成在一塊硅芯片上，使電子產品向更小型化發展。集成電路從小規模集成電路迅速發展到大規模集成電路和超大規模集成電路，從而使電子產品向著高效能低消耗、高精度、高穩定、智能化的方向發展。
小型便攜式電子產品采用的鋰離子電池或鋰聚合物電池的容量較小，大部分在400~1000mAh范圍內，與之配套的充電器的最大充電電流為450~1000mAh.由于電流不大，一般采用線性充電器。鋰離子電池的不足之處在于對充電器要求比較苛刻，需要保護電路。鋰離子電池要求的充電方式是恒流恒壓方式，為有效利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最大電壓，但是過壓充電會造成電池損壞，這就要求較高的控制精度。另外，對于電壓過低的電池需要進行預充，充電器最好帶有熱保護和時間保護，為電池提供附加保護。因此，安全有效的鋰離子電池充電器對于鋰離子電池來說就是必須而且是必要的。
鋰電池充電器外接限流型充電電源和P溝道場效應管，可以對單節鋰離子電池進行安全有效的快充，其最大特點是在不使用電感的情況下仍能做到很低的功率耗散，采用8腳μMAX封裝。充電控制精度達0.75%,可以實現預充電，具有過壓保護和溫度保護功能，最長充電時間限制為鋰離子電池提供二次保護，鋰離子電池充電器的浮充方式能夠使電池容量充至最大。當充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內時，插入電池將啟動一次充電過程；充電結束的條件是平均的脈沖充電電流達到快充電流的1%,或時間超出片上預置的充電時間。鋰離子電池充電器能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關斷以減少電池的漏電。啟動快充后打開外接的P型場效應管，當檢測到電池電壓達到設定的門限時進入脈沖充電方式，P溝道場效應管打開的時間會越來越短，充電結束時，LED指示燈將會按12%的周期閃爍。
展開 等效電路雙向耦合法鋰電池熱管理仿真分析
7月22日，OPPO又一次為GaN帶貨，這次不是應用在充電頭，而是替代硅基MOSFET，首次將GaN應用手機內部電路。
2020年
消費類
GaN功率器件
市場翻了一番，達到
2870萬美元（約1.86億人民幣）
。這與OPPO的推動不無關系，它是
首家采用氮化鎵
手機充電器的國內廠商，其作用可能相當于特斯拉對碳化硅的拉動。
此外，OPPO還
入股了2家氮化鎵芯片
企業。
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替代2顆硅MOS
GaN讓快充更安全
最近，GaN快充都在比拼更高功率、更小尺寸，而OPPO跳出這個邏輯，再次強調充電安全。
這次GaN依舊是OPPO的殺手锏，但不是將它用在充電頭，而是首次將GaN應用在手機內部的
充電保護電路
。
手機充電功率越來越大，電池保護電路必不可少。傳統鋰電池保護電路是由2個硅MOSFET、1個控制集成電路外加一些電阻電容元件組成。隨著手機充電功率達到200W，電池端的電流達到20A。傳統硅MOS溫升明顯，甚至需要輔助導熱措施來為其散熱。
而OPPO這次的手機充電保護電路有了新的創新——用1顆GaN代替2顆硅MOS，由于GaN具備低阻抗優勢，可以大幅降低電流在保護板上的損耗，因此這個方案具備多個優勢：
一是可以無需導熱材料，降低快充過程中的發熱。
二是一顆替代兩顆，可以為越來越擁擠的手機電路板節省更多空間。
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鋰(Li)金屬電極由于其超高的理論比容量(3860mAh g
-1)和最低的電化學電位(-3.040 V vs標準氫電極)，可以滿足下一代儲能系統的能量密度要求。然而，鋰金屬電池(LMB)的商業化有兩個嚴重的問題：不可控的鋰枝晶生長問題和不穩定的固態電解質界面(SEI)問題。(1)由于循環過程中負極側不均勻的鋰沉積，不可控的鋰枝晶生長會導致電池庫侖效率
由于鋰電池的特殊性，過壓或者欠壓都會導致電池報廢，所以現在的鋰電池充放電保護電路原理就是測量鋰電池電壓，再根據電壓判斷鋰電池是否處于正常狀態（非過壓、非欠壓）。
鋰電池的充電電流如上圖粉紅色線所示。鋰電池的充電分為三個階段，分別是恒流預充電、大電流恒流充電與恒壓充電。
鋰離子電池電壓范圍
10.剖析鋰電池保護電路的工作原理
舉一個不恰當的例子，電池的充放電就像孩子喝母乳一樣。
鋰電池充電保護電路
鋰電池過充，過放電都會影響電池的壽命。在設計時，要注意鋰電池的充電電壓，充電電流。然后選取合適的充電芯片。注意要防止鋰電池的過充，過放，短路保護等問題。
傳統鋰電池保護電路是由2個硅MOSFET、1個控制集成電路外加一些電阻電容元件組成。隨著手機充電功率達到200W，電池端的電流達到20A。傳統硅MOS溫升明顯，甚至需要輔助導熱措施來為其散熱。
等效電路雙向耦合法鋰電池熱管理仿真分析
鋰離子電池的不足之處在于對充電器要求比較苛刻，需要保護電路。鋰離子電池要求的充電方式是恒流恒壓方式，為有效利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最大電壓，但是過壓充電會造成電池損壞，這就要求較高的控制精度。另外，對于電壓過低的電池需要進行預充，充電器最好帶有熱保護和時間保護，為電池提供附加保護。因此，安全有效的鋰離子電池充電器對于鋰離子電池來說就是必須而且是必要的。
