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锂离子电池的基本知识介绍

发布者:【浩博电池资讯】 发布时间:2023-07-07 11:07:07 点击量:143

一.锂电池保护

一般用户接触到手机锂离子电池,在外面看到的除了电池外壳,还有就是几个五金触片了,如图中"电池正极,电池负极"就是的电池正负极输出.

┏━━Fuse━━━━━┳━━━━━━━━━┫
电池正极

┃ R1

┃ ┃

┇ ┏┻━━┓

┏┻┓ ┃
保护IC┃

┏┻━┻┓ ┏┫ ┃

┃ ┃ ┃┗━━┳┛ ┏━━┫
标识电阻

锂离子┃ ┃ ┃ ┃

电芯┃ ┃ ┃ R2

┃ ┃ ┃ ┃ ┃

┗━┳━┛ ┃ ┻Mosfet ┃

┃ ┃ ┏╈┓ ┃

┗━━━━━━━┻━━┻┛┗━━━┻━━┫
电池负极

而实际真正供电的源泉是电池塑料壳里面的锂离子电池芯,但是由于锂离子电芯的"娇嫩"的特性,比如过充和过放,大电流放电,短路等非常规动作都会对锂离子电芯造成极大的伤害.所以保护线路的功能就是在上述非常规动作发生时及时的切断回路.保护锂离子电芯.而这些保护动作就是图中的保护IC来判断,由它来控制一对Mosfet场效应管来导通和切断主供电回路,对锂离子电芯进行保护.市面上常用的这种保护IC的生产厂商有SEIKO精工,RICOH理光,Motorala摩托罗拉半导体等。以精工的S8241系列芯片来具体介绍各项保护功能。众所周知,以恒压充电限制电压来划分,锂离子电池有4.1V恒压充电和4.2V恒压充电两种类型.现在4.1V的版本已经很少,绝大多数是4.2V的恒压充电类型的.下面的数据就只针对4.2V恒压充电的锂离子电池来讨论.

1)保护IC+Mosfet可以实现的功能如下(四大保护):

1
过充保护,当电池芯的电压超过设定值时,由保护IC切断Mosfet.等电芯电压回归到允许的电压是,重新恢复Mosfet管的导通。

过充检测电压:4.275V+/-0.025V,电芯电压一超过这个值,就触发过充保护

过充释放电压:4.175V+/-0.030V,处于过充保护的电芯电压只有降到这个值时才会停止保护。

过充保护延时:1.当电压持续超过过充检测电压1秒以上才会触发过充保护,这个是为了防止误判和误操作而设置的.

2.
过放保护,当电池芯的电压降低得超过设定值时,由保护IC切断Mosfet.等电芯电压回归到允许的电压时,重新恢复Mosfet管的导通.

过放检测电压:2.3V+/-0.08V

过放释放电压:2.4V

过放保护延时:125毫秒

参数的含义与过充保护的类似,不赘述.

3.
过流保护,当工作电流超出设定值时,由保护IC切断Mosfet.等工作电流回归到允许的电压是,重新恢复Mosfet管的导通.

过流电流压降:0.1V,这里保护IC判断的是电流流过Mosfet而产生的压降,用这个电压除于Mosfet的导通阻抗就可以近似得到过流保护的电流.一般在3~5A左右.

过流延时:8毫秒,注意这个延时比前面的几个过充过放的延时要短许多.

4.
短路.其实这个功能是过流保护的扩展,当保护IC检测电池输出正负极之间电压小于规定值时,认为此时电池处于短路状态,立即切断回路.等短路的故障排除再恢复回路.短路时电池的输出正负极的电压为零,而实际电芯的电压还是正常的。

短路检测延时:10微秒,这个延时更是短暂,几乎是短路的瞬间就切断了回路,可以避免短路对电池带来的巨大损伤。

还有一个参数,称为保护IC的自耗,如上图,可以看到,保护IC是通过电阻R1利用了电芯的电压来进行工作的.不可避免的要消耗一部分电池的容量.一般保护IC的功耗是做的非常小的.3微安左右,最大不超过6微安。

在保护回路里面还有一个器件,如上图标示的Fuse,就是保险丝.它是串联在电池的回路中.它的作用是在保护线路失效的情况下,作为最后的防线,对于过流或高温的锂离子电池进行切断回路的动作.Fuse根据工作原理分为一次性保险丝(就象家里电表下用的那种)和可恢复保险丝(又称为PTC).

有了如此完备的保护线路,一般用户想用坏锂离子电池都有点困难.但是这并不是意味着用户可以随意的滥用锂离子电池.同样有许多的地方是需要注意的.

下图是根据锂离子电池电压根据实际使用划分的几个区域.

高压危险区-保护线路过充保护电压(4.275~4.35V)

高压警戒区-锂离子电池充电限制电压4.20V

正常使用区-锂离子电池放电终止电压(2.75~3.00V)

低压警戒区-保护线路过放保护电压(2.3~2.5V)

低压危险区

1.
在正常使用区内.锂离子电池可以正常发挥其特性,也没有危险.

2.
高压警戒区.虽然这个区域处于保护线路的保护范围之内,并不意味着此时锂离子电池也是安全的.长期处于这种程度的过充,会很快的降低电池的循环寿命.

据我测试,将新锂离子电池充电到4.3V使用可以比充电到4.2V的锂离子电池提高15%左右的容量,但是在50次循环以后,其容量衰减到原来的80%,寿命整整缩短了10.记得网友battery老兄喜欢把锂离子电池过充了用,这样可以暂时提高前几次循环的容量,容量不够了就换一节新的.我们广大网友恐怕没有这个资本,还是老老实实的使用吧.这种低度过充的锂离子电池往往在几十次循环以后就会产生发鼓等变形

3.
低压警戒区.处于该区域的锂离子电池不适合快速充电,要先用小电流将电池电压提升到3.0V以上才可以快速充电.否则容易导致锂离子极性材料发生不良反应,影响电池性能.而这个电压的锂离子电池也非常容易因为电池本身的自耗和锂离子保护线路的自耗很快的掉近低压危险区.那就危险了.而且这个自耗是保护线路无法保护.

4.
低压危险区,长期处于低压危险区的锂离子电池,性能将近一步恶化.在低电压(小于2V)或更低的电压情况下,正极材料的钴锂酸(又称尖晶石)晶格发生变化,其晶体机构会以枝晶形式生产.这种枝晶发展长大的话会戳穿正负极的隔膜,导致电池微短路.进一步恶化电池的性能.甚至导致电池发生膨胀,彻底报废.

5.
高压危险区.此时保护线路已经失效,或者根本没有保护线路.在这个区域的锂离子电池(特别是4.8V以上),锂离子内部会发生剧烈的反应,产生强大的热量,导致电池内压正极,使电芯变形,不同于低度过充,这种变化是一次性的,即一次高度过充就可以造成电池发鼓.甚至爆炸.

以下是几点锂离子电池的与保护线路相关的注意事项

1.
不要试图直接短路锂离子电池来强行放电.这样做只有两种结果,一是保护线路起作用,那么什么事也不会发生.二是保护线路失效,那样就会造成过流或直接电芯的短路,就会触发fuse动作,如果里面也没有fuse的保护(很多杂牌锂离子电池就是没有fusePTC),那么这种短路的瞬间电流将达到十几甚至几十安培,足以烧毁线路板,使导线发红.要是碰上皮肤那就更惨了.

2.
不要使用不合格(没有认证)的充电器或座充,锂离子电池的充电过充需要严格的电压控制,这点做的不好的充电器会对锂离子电池造成低度过充,虽然最后有保护线路的保护,但是已经过充了.

3.
不要在电池两端加高压,保护芯片也有极限的承受电压,一般在12V左右,在往上往往会击穿保护芯片.

4.
不要逆接电池正负极进行充电,同样会损伤保护IC

5.
注意锂离子电池的使用环境,潮湿,高温,静电会导致保护ICMosfet失效的.手机落入水中,在记得吹干手机主板的同时,也要对锂离子电池进行晾干处理,但不要用电吹风吹干.高温(60度以上)对锂离子电池是有害的.

很有趣的是第一点.有兴趣的网友可以根据锂离子电池保护线路的短路保护功能来测试一下你的保护线路是否有效.最后找一个指针式的直流电流表(5A量程左右),对电池的正负极直接短路,你可以看到电流表指针会动一下并迅速归零.这就说明在几个微妙之内保护线路已经动作了.这是检测你的锂离子电池有没有保护线路的一个简单有效的办法.采用数字式的电流表也行,都要把量程设成最大的安培档(2A以上的).

以上谈论的是单节锂离子电池的保护线路,不包括串联两节以上的保护IC,道理大同小异.

在第一个图中,我画了一个标识电阻R2,如果这个电阻是个常规的定值电阻,那么就是手机用来区别电池类型用的.三星的手机在隐藏菜单中可以看到这个电阻值.他们的手机用不同的电阻来区分不同容量的电池(厚薄电)。如果这个电池是个热敏电阻(NTC),那么它就可以告诉手机或充电器电池的温度,因此手机或充电器就有了对电池温度的检测能力.当电池温度超出范围(比如0~40度以外),手机或座充就不对锂离子电池进行充电动作.这也是对锂离子电池的保护.

有些电池会有两个以上的标识电阻(一个常规电阻,一个热敏电阻)或专用的识别芯片来执行这个功能.原理都是一样的.目的就是确保更好的的使用锂离子电池.

二、锂电池充电

关于充电的问题,其实最难掌握的就是正确充电。 充电从充电电流来分,有快速充电和慢速充电的区别。 从充电方式来看,有恒流充电和脉冲充电的区别。
什么是快充而什么是慢充?以
一节电池的标称容量为1C,在0.10.2C的充电电流为慢充,>0.2C的为快充,>0.8C的为超快速充电,<0.05C的则是涓流充电。以一节1400MAH的镍氢电池为例,充电电流在140MA280MA之间的为慢速充电,而同样280MA的充电电流,对一节700MAH的电池则就是快充。由此可见,快充还是慢充是个相对的概念,和电池本身的容量有极大的相关。
究竟是快好还是慢好?快充会伤害电池,由于大电流而引起的发热。过高的温度对电池寿命有很大的影响。
恒流充电和脉冲充电。在慢充时,基本上所有的充电器都采用了恒流的充电方法,这样电路设计比较简单。而由于充电电流在慢速范围,并不会引起电池过热的问题。到了用快速电流充电的问题上,再使用恒流方式,无法避免电池过热的问题,因此恒流的方法就被摒弃。取而代之的是脉冲方式,从波形上就可以看出,充电电流的输出不是直线,而是正弦波。波峰时,电流最大,然后马上进入波谷,几乎是没有电流。这样设计的目的是为了让电池有一个恢复时间,从而减少大电流产生的热量,使电池发热控制在一个可接受的水平。现在市场上看到的百余元左右的快速充电器,基本都采用这个方法。而且这类充电器还采用了电压斜率判断法或delta判断法来判断电池是否充满,一旦充满就自动转入涓流充电,以免超过时间后大电流对电池造成伤害。KN5060充电器在各大电子市场都有,6570元,做工不是很精致,但效果不错,属于性价比很高的产品。
采用脉冲方式来制作快速充电器是不错的解决方法,但对于有些要求,比如1小时快速充电器,这时要采用大于1C的超高速充电电流来进行充电,脉冲法就力不从心了。现在国际上采用的基本都是脉冲法加去极化反应结合的方式。简单的说,就是在脉冲法的基础上,当一个正弦波的上半部完成后,插入一个短暂负电压的余弦波,来抵消过大的电流产生巨大热量(极化反应),从而将电池热量控制住。这种方法一般只有在比较专业的充电器,例如航模玩家所用的专业充电器上使用。这类充电器往往可以做到用2C3C的电流对电池进行充电。
说了这些方法,从电池使用寿命角度来看,慢速恒流充电无疑是对保证电池寿命最好的方法。但从时间就是金钱的角度来看,快速充电器节省下来的时间所带来的效益,远比损伤电池寿命10%左右的损失大得多。这也是为什么快速充电器十分流行的原因。


三.锂电池的结构特点及充放电保护

锂电池是继镍镉、镍氢电池之后,可充电电池家族中的佼佼者.锂离子电池以其优良的特性,被广泛应用于:手机、摄录像机、笔记本电脑、无绳电话、电动工具、遥控或电动玩具、照相机等便携式电子设备中。
)锂电池与镍镉、镍氢可充电池:
锂离子电池的负极为石墨晶体,正极通常为二氧化锂。充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。放电时,锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。所以,在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现,而不是以金属锂的形态出现。因而这种电池叫做锂离子电池,简称锂电池。
锂电池具有:体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点,但价格较贵。镍镉电池因容量低,自放电严重,且对环境有污染,正逐步被淘汰。镍氢电池具有较高的性能价格比,且不污染环境,但单体电压只有1.2V,因而在使用范围上受到限制。
)锂电池的特点:
1
、具有更高的重量能量比、体积能量比;
2
、电压高,单节锂电池电压为3.6V,等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压;
3
、自放电小可长时间存放,这是该电池最突出的优越性;
4
、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应,所以锂电池充电前无需放电;
5
、寿命长。正常工作条件下,锂电池充/放电循环次数远大于500次;
6
、可以快速充电。锂电池通常可以采用0.51倍容量的电流充电,使充电时间缩短至12小时;
7
、可以随意并联使用;
8
、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素,对环境无污染,是当代最先进的绿色电池;
9
、成本高。与其它可充电池相比,锂电池价格较贵。
)锂电池的内部结构 :
锂电池通常有两种外型:圆柱型和长方型。
电池内部采用螺旋绕制结构,用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由锂和二氧化钴组成的锂离子收集极及由铝薄膜组成的电流收集极。负极由片状碳材料组成的锂离子收集极和铜薄膜组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件,以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。
单节锂电池的电压为3.6V,容量也不可能无限大,因此,常常将单节锂电池进行串、并联处理,以满足不同场合的要求。
四)锂电池的充放电要求;
1
、锂电池的充电:根据锂电池的结构特性,最高充电终止电压应为4.2V,不能过充,否则会因正极的锂离子拿走太多,而使电池报废。其充放电要求较高,可采用专用的恒流、恒压充电器进行充电。通常恒流充电至4.2V/节后转入恒压充电,当恒压充电电流降至100mA以内时,应停止充电。
充电电流(mA=0.11.5倍电池容量(如1350mAh的电池,其充电电流可控制在1352025mA之间)。常规充电电流可选择在0.5倍电池容量左右,充电时间约为23小时。
2、锂电池的放电:因锂电池的内部结构所致,放电时锂离子不能全部移向正极,必须保留一部分锂离子在负极,以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则,电池寿命就相应缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子,就要严格限制放电终止最低电压,也就是说锂电池不能过放电。放电终止电压通常为3.0V/节,最低不能低于2.5V/。电池放电时间长短与电池容量、放电电流大小有关。电池放电时间(小时)=电池容量/放电电流。锂电池放电电流(mA)不应超过电池容量的3倍。(如1000mAH电池,则放电电流应严格控制在3A以内)否则会使电池损坏。
目前市场上所售锂电池组内部均封有配套的充放电保护板。只要控制好外部的充放电电流即可。



五)锂电池的保护电路:
两节锂电池的充放电保护电路如图一所示。由两个场效应管和专用保护集成块S--8232组成,过充电控制管FET2和过放电控制管FET1串联于电路,由保护IC监视电池电压并进行控制,当电池电压上升至4.2V时,过充电保护管FET1截止,停止充电。为防止误动作,一般在外电路加有延时电容。当电池处于放电状态下,电池电压降至2.55V时,过放电控制管FET1截止,停止向负载供电。过电流保护是在当负载上有较大电流流过时,控制FET1使其截止,停止向负载放电,目的是为了保护电池和场效应管。过电流检测是利用场效应管的导通电阻作为检测电阻,监视它的电压降,当电压降超过设定值时就停止放电。在电路中一般还加有延时电路,以区分浪涌电流和短路电流。该电路功能完善,性能可靠,但专业性强,且专用集成块不易购买,业余爱好者不易仿制。
六)简易充电电路:
现在有不少商家出售不带充电板的单节锂电池。其性能优越,价格低廉,可用于自制产品及锂电池组的维修代换,因而深受广大电子爱好者喜爱。有兴趣的读者可参照图二制作一块充电板。其原理是:采用恒定电压给电池充电,确保不会过充。输入直流电压高于所充电池电压3伏即可。R1Q1W1TL431组成精密可调稳压电路,Q2W2R2构成可调恒流电路,Q3R3R4R5LED为充电指示电路。随着被充电池电压的上升,充电电流将逐渐减小,待电池充满后R4上的压降将降低,从而使Q3截止,LED将熄灭,为保证电池能够充足,请在指示灯熄灭后继续充1—2小时。使用时请给Q2Q3装上合适的散热器。本电路的优点是:制作简单,元器件易购,充电安全,显示直观,并且不会损坏电池.通过改变W1可以对多节串联锂电池充电,改变W2可以对充电电流进行大范围调节。缺点是:无过放电控制电路。图三是该充电板的印制板图(从元件面看的透视图


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    能量密度:125-160Wh/kg
    充放电能力:5-10C(20-80%DOD)
    温度范围:-40℃—65℃
    自耗电:≤3%/月

  • 高安全

    过充电、过放电、针刺、 挤压、短路、
    撞击、高温、枪击时电池不燃烧、爆炸。

  • 高可靠

    动力电池循环寿命不低于2000次,
    80%容量保持率;
    电池管理系统可靠、稳定、适应性 强,
    符合国军标要求。

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