锂电池基础知识讲解

第一章保护板的构成和首要作用

本文首要介绍锂电池保护板的构成，电池保护板的首要作用，作业原理。以及出产的单节锂电池保护线路的运用规划，电功能参数，首要资料，规范规范，等项目的相关内容。本规范书所描绘的全部项目规范可作为质量检验规范及根据。

2产品运用规划

（1）液态锂离子可充电电池；

（2）聚合物锂离子可充电电池。

一、保护板的构成

锂电池（可充型）之所以需求保护，是由它本身特性抉择的。由于锂电池本身的资料抉择了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此锂电池锂电组件总会跟着一块精巧的保护板和一片电流保险器呈现。锂电池的保护功用一般由保护电路板和PT协同完结，保护板是由电子电路组成，在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流，即时控制电流回路的通断；PTC在高温环境下避免电池产生恶劣的损坏。

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保护板一般包含控制IC、MOS开关、电阻、电容及辅佐器件NTC、ID存储器等。其间控制IC，在全部正常的状况下控制MOS开关导通，使电芯与外电路交流，而当电芯电压或回路电流逾越规定值时，它马上（数十毫秒）控制MOS开关关断，保护电芯的安全。NTC是Negativetemperaturecoefficient的缩写，意即负温度系数，在环境温度升高时，其阻值下降，运用电设备或充电设备及时反响、控制内部中断而中止充放电。ID存储器常为单线接口存储器，ID是Identification的缩写即身份辨认的意思，存储电池品种、出产日期等信息。可起到产品的可追溯和运用的束缚。

二、保护板的首要作用

一般要求在-25℃～85℃时Control(IC)检测控制电芯电压与充放电回路的作业电流、电压，在全部正常状况下C-MOS开关管导通，使电芯与保护电路板处于正常作业状况，而当电芯电压或回路中的作业电流逾越控制IC中比较电路预设值时，在15～30ms内（不同控制IC与C-MOS有不同的照应时刻），将CMOS关断，即封闭电芯放电或充电回路，以保证运用者与电芯的安全。

第二章保护板的作业原理

保护板的作业原理图：

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如图中，IC由电芯供电，电压在2v－5v均能保证牢靠作业。

1、过充保护及过充保护恢复

当电池被充电使电压逾越设定值VC(4.25-4.35V，具体过充保护电压取决于IC)后，VD1翻转使Cout变为低电平，T1截止，充电中止.当电池电压回落至VCR(3.8-4.1V，具体过充保护恢复电压取决于IC)时，Cout变为高电平，T1导通充电继续，VCR必须小于VC一个定值，以避免频繁跳变。

2、过放保护及过放保护恢复

当电池电压因放电而下降至设定值VD（2.3-2.5V，具体过充保护电压取决于IC）时，VD2翻转，以短时刻延时后，使Dout变为低电平，T2截止，放电中止，当电池被置于充电时，内部或门被翻转而使T2再次导通为下次放电作好准备。

3、过流、短路保护

当电路充放回路电流逾越设定值或被短路时，短路检测电路动作，使MOS管关断，电流截止。

第三章保护板首要零件的功用介绍

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R1：基准供电电阻；与IC内部电阻构成分压电路，控制内部过充、过放电压比较器的电平翻转；一般在阻值为330Ω、470Ω比较多；当封装方式（即用规范元件的长和宽来标明元件巨细，如0402封装标识此元件的长和宽分别为1.0mm和0.5mm）较大时，会用数字标识其阻值，如贴片电阻上数字标识473，即标明其阻值为47000Ω即47KΩ（第三位数标明在前两位后面加0的位数）。R2：过流、短路检测电阻；通过检测VM端电压控制保护板的电流，焊接不良、损坏会构成电池过流、短路无保护，一般阻值为1KΩ、2KΩ较多。R3：ID辨认电阻或NTC电阻（前面有介绍）或两者都有。总结：电阻在保护板中为黑色贴片，用万用表可测其阻值，当封装较大时其阻值会用数字标明，标明方法如上所述，当然电阻阻值一般都有误差，每个电阻都有精度规范，如10KΩ电阻规范为+/－5％精度则其阻值为9.5KΩ－10.5KΩ规划内都为合格。C1、C2：由于电容两端电压不能突变，起瞬间稳压和滤波作用。

总结：电容在保护板中为黄色贴片，封装方式0402较多，也有少数0603封装(1.6mm长,0.8mm宽)；用万用表检测其阻值一般为无穷大或MΩ级别；电容漏电会产生自耗电大，短路无自恢复现象。FUSE：普通FUSE或PTC（PositiveTemperatureCoefficient的缩写，意思是正温度系数）；避免不安全大电流和高温放电的产生，其间PTC有自恢复功用。

总结：FUSE在保护板中一般为白色贴片，LITTE公司提供FUSE会在FUSE上标识字符D-T，字符标明意思为FUSE能承受的额定电流，如标明D额定电流为0.25A，S为4A，T为5A等；现我司全部较多为额定电流为5A的FUSE，即在本体上标识字符’T’。

U1：控制IC；保护板全部功用都是IC通过监视连接在VDD-VSS间的电压差及VM-VSS间的电压差而控制C-MOS实行开关动作来完结的。

Cout：过充控制端；通过MOS管T2栅极电压控制MOS管的开关。

Dout：过放、过流、短路控制端；通过MOS管T1栅极电压控制MOS管的开关。

VM：过流、短路保护电压检测端；通过检测VM端的电压完结电路的过流、短路保护（U（VM）=I*R（MOSFET））。

总结：IC在保护板中一般为6个管脚的封装方式，其差异管脚的方法为：在封装体上标识黑点的邻近为第1管脚，然后逆时针旋转分别为第2、3、4、5、6管脚；如封装体上无黑点标识，则正看封装体上字符左下为第1管脚，其他管脚逆时针类推）C-MOS：场效应开关管；保护功用的完结者；连焊、虚焊、假焊、击穿时会构成电池无保护、无闪现、输出电压低一级不良现象。总结：CMOS在保护板中

一般为8个管脚的封装方式，它时由两个MOS管构成，相当于两个开关，分别控制过充保护和过放、过流、短路保护；其管脚差异方法和IC一样。

在保护板正常状况下，Vdd为高电平，Vss、VM为低电平，Dout、Cout为高电平；当Vdd、Vss、VM任何一项参数变换时，Dout或Cout的电平将产生改动，此时MOSFET实行相应的动作（开、关电路），然后完结电路的保护和恢复功用。

第四章保护板首要功能检验方法

1．NTC电阻检验：

用万用表直接测量NTC电阻值，再与《温度改动与NTC阻值对照教导》对比。

2．辨认电阻检验：

用万用表直接测量辨认电阻值，再与《保护板重要项目办理表》对比。

3.自耗电检验：

调恒流源为3.7V/500mA；万用表设置为uA档，表笔刺进uA接孔，然后与恒流源串联起来接保护板B+、B-如下图所示：此时万用表的读数即为保护板的自耗电，如无读数用镊子或锡线短接B-、P-，

激活电路。

4.短路保护检验：

电芯接到保护板B+、B-上，用镊子或锡线短接B-、P-，再短接P+、P-；短路后用万用表测保护板开

路电压（如下图所示）；反复短接3-5次，此时万用表读数应与电芯共同，保护板应无冒烟、爆裂等现象。

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如上图所示接好电路，按照重要项目办理表设置好锂易安数据，再按主动按钮，接好后按红表笔上的按钮进行检验。此时锂易安检验仪的灯应逐次点亮，标明功能OK。按闪现键查看检验数据：‘Chg’标明过充保护电压；‘Dis’表过放保护电压；‘Ocur’标明过流保护电流。

第五章保护板常见不良分析

一、无闪现、输出电压低、带不起负载：

此类不良首要扫除电芯不良（电芯原本无电压或电压低），假设电芯不良则应检验保护板的自耗电，看是否是保护板自耗电过大导致电芯电压低。假设电芯电压正常，则是由于保护板整个回路不通（元器件虚焊、假焊、FUSE不良、PCB板内部电路不通、过孔不通、MOS、IC损坏等）。具体分析

进程如下：

（一）、用万用表黑表笔接电芯负极，红表笔依次接FUSE、R1电阻两端，IC的Vdd、Dout、Cout端，P+端（假设电芯电压为3.8V），逐段进行分析，此几个检验点都应为3.8V。若不是，则此段电路有问题。

1.FUSE两端电压有改动：检验FUSE是否导通，若导公例是PCB板内部电路不通；若不导公例FUSE

有问题（来料不良、过流损坏（MOS或IC控制失效）、质料有问题（在MOS或IC动作之前FUSE被烧坏），然后用导线短接FUSE，继续往后分析。

2.R1电阻两端电压有改动：检验R1电阻值，若电阻值失常，则或许是虚焊，电阻本身开裂。若电阻值无失常，则或许是IC内部电阻呈现问题。

3.IC检验端电压有改动：Vdd端与R1电阻相连。Dout、Cout端失常,则是由于IC虚焊或损坏。

4.若前面电压都无改动，检验B-到P+间的电压失常，则是由于保护板正极过孔不通。

（二）、万用表红表笔接电芯正极，激活MOS管后，黑表笔依次接MOS管2、3脚，6、7脚，P-端。

1.MOS管2、3脚，6、7脚电压有改动,则标明MOS管失常。

2.若MOS管电压无改动，P-端电压失常，则是由于保护板负极过孔不通。

二、短路无保护：

1.VM端电阻呈现问题：可用万用表一表笔接IC2脚，一表笔接与VM端电阻相连的MOS管管脚，承认

其电阻值巨细。看电阻与IC、MOS管脚有无虚焊。

2.IC、MOS失常：由于过放保护与过流、短路保护共用一个MOS管，若短路失常是由于MOS呈现问题，则此板应无过放保护功用。

3.以上为正常状况下的不良，也或许呈现IC与MOS装备不良引起的短路失常。如前期呈现的BK-901，其型号为‘312D’的IC内延迟时刻过长，导致在IC作出相应动作控制之前MOS或其它元器件已被损坏。

注：其间承认IC或MOS是否产生失常最简易、直接的方法便是对有置疑的元器件进行更换。

三、短路保护无自恢复：

1.设计时所用IC原本没有自恢复功用,如G2J，G2Z等。

2.仪器设置短路恢复时刻过短，或短路检验时未将负载移开，如用万用表电压档进行短路表笔短接后未将表笔从检验端移开（万用表相当于一个几兆的负载）。

3.P+、P-间漏电，如焊盘之间存在带杂质的松香，带杂质的黄胶或P+、P-间电容被击穿,ICVdd到Vss间被击穿.（阻值只需几K到几百K）.

4.假设以上都没问题，或许IC被击穿，可检验IC各管脚之间阻值。

四、内阻大：

1.由于MOS内阻相对比较安稳，呈现内阻大状况，首要置疑的应该是FUSE或PTC这些内阻相对比较简单产生改动的元器件。

2.假设FUSE或PTC阻值正常，则视保护板结构检测P+、P-焊盘与元器件面之间的过孔阻值，或许过孔呈现微断现象，阻值较大。

3.假设以上多没有问题，就要置疑MOS是否呈现失常：首要承认焊接有没有问题；其次看板的厚度（是否简单弯折），由于弯折时或许导致管脚焊接处失常；再将MOS管放到显微镜下观测是否分裂；最后用万用表检验MOS管脚阻值，看是否被击穿。

五、ID失常：

1.ID电阻本身由于虚焊、开裂或因电阻质料不过关而呈现失常：可从头焊接电阻两端，若重焊后ID正常则是电阻虚焊，若开裂则电阻会在重焊后从中裂开。

2.ID过孔不导通：可用万用表检验过孔两端。

3.内部线路呈现问题：可刮开阻焊漆看内部电路有无断开、短路现象。

修改：hfy

锂离子电池是一种充电电池，它主要依托锂离子在正极和负极之间移动来作业。在充放电进程中，Li+在两个电极之间往复嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，通过电解质嵌入负极，负极处于富锂状况；放电时则相反。

锂离子电池简单与下面两种电池混杂：

（1）锂电池：存在锂单质。

（2）锂离子聚合物电池：用多聚物取代液态有机溶剂。

组成部分

钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列：

（1）正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，现在又呈现了镍钴锰酸锂资料，电动自行车则用磷酸铁锂，导电集流体运用厚度10--20微米的电解铝箔。

（2）隔膜——一种特殊的复合膜，能够让离子通过，但却是电子的绝缘体。

（3）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体运用厚度7-15微米的电解铜箔。

（4）有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则运用凝胶状电解液。

（5）电池外壳——分为钢壳（现在方型很少运用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池运用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。

作用机理

锂离子电池以碳素资料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这便是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极资料电池的总称。锂离子电池的充放电进程，便是锂离子的嵌入和脱嵌进程。在锂离子的嵌入和脱嵌进程中，一起伴跟着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表明，而负极用刺进或脱插表明）。在充放电进程中，锂离子在正、负极之间往复嵌入/脱嵌和刺进/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。

作业状况和功率

锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，好的电池，每月在2%以下（可恢复）。没有回忆效应。作业温度范围宽为-20℃～60℃。循环功能优越、可快速充放电、充电功率高达100%，而且输出功率大。运用寿命长。不含有毒有害物质，被称为绿色电池。

充电

充电是电池重复运用的重要进程，锂离子电池的充电进程分为两个阶段：恒流快充阶段和恒压电流递减阶段。恒流快充阶段，电池电压逐渐升高到电池的规范电压，随后在控制芯片下转入恒压阶段，电压不再升高以保证不会过充，电流则跟着电池电量的上升逐渐减弱到设定的值，而最终完结充电。电量统计芯片通过记载放电曲线能够抽样计算出电池的电量。锂离子电池在多次运用后，放电曲线会产生改动，锂离子电池虽然不存在回忆效应，可是充、放电不妥会严重影响电池功能。

充电注意事项

锂离子电池过度充放电会对正负极构成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构呈现陷落，而陷落会构成充电进程中锂离子无法刺进；过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而构成其间部分锂离子再也无法释放出来。

充电量等于充电电流乘以充电时刻，在充电控制电压必定的状况下，充电电流越大（充电速度越快），充电电量越小。电池充电速度过快和终止电压控制点不妥，同样会构成电池容量缺乏，实际是电池的部分电极活性物质没有得到充沛反响就中止充电，这种充电缺乏的现象跟着循环次数的增加而加剧。

放电

第一次充放电，假如时刻能较长（一般3至4小时足够），那么能够使电极尽可能多的到达最高氧化态（足够电），放电（或运用）时则强制放到规定的电压、或直至自动关机，如此能激活电池运用容量。

但在锂离子电池的平常运用中，不需要如此操作，能够随时根据需要充电，充电时既不必要必定充满电为止，也不需要先放电。像初次充放电那样的操作，只需要每隔3至4个月进行连续的1至2次即可。

化学解析

概述：和一切化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。电极资料都是锂离子能够嵌入（刺进）/脱嵌（脱插）的。

正极：正极资料，如上文所述，可选的正极资料很多，现在主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极资料对照：

正极反响：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。充电时：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi+xe放电时：Li1-xFePO4+xLi+xe→LiFePO4

负极：负极资料，多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的资料。

负极反响：放电时锂离子脱插，充电时锂离子刺进。充电时：xLi+xe+6C→LixC6放电时：LixC6→xLi+xe+6C

电解质溶液

溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂（LiClO4）、六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）。溶剂：由于电池的作业电压远高于水的分化电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时损坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面构成固体电解质膜（solidelectrolyteinterphase，SEI）导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。

主要长处

（1）电压高：单体电池的作业电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍。

（2）比能量大：现在能到达的实际比能量为555Wh/kg左右，即资料能到达150mAh/g以上的比容量（3至4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。

（3）循环寿命长：一般均可到达500次以上，乃至1000次以上，磷酸铁锂的能够到达2000次以上。关于小电流放电的电器，电池的运用期限，将倍增电器的竞争力。

（4）安全功能好：无公害，无回忆效应。作为Li-ion前身的锂电池，因金属锂易构成枝晶产生短路，缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊端为“回忆效应”，严重束缚电池的运用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。

（5）自放电小：室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。

（6）可快速充放电：1C充电30分钟容量能够到达标称容量的50%以上，放电能够提供支撑大电流3C/5C高倍率放电。

（7）作业温度范围高，作业温度为-25~45°C，跟着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。