整理锂离子电池以及保护电路.docx

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整理锂离子电池以及保护电路

锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流/短路保护和过放电保护,要求过充电保护高精度、保护IC功耗低、高耐压以及零伏可充电等特性.本文详细介绍了这三种保护电路的原理、新功能和特性要求.

近年来,PDA、数字相机、手机、便携式音频设备和蓝牙设备等越来越多的产品采用锂电池作为主要电源.锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点,与镍镉、镍氢电池不太一样,锂电池必须考虑充电、放电时的安全性,以防止特性劣化.针对锂电池的过充、过度放电、过电流及短路保护很重要,所以通常都会在电池包内设计保护线路用以保护锂电池.

由于锂离子电池能量密度高,因此难以确保电池的安全性.在过度充电状态下,电池温度上升后能量将过剩,于是电解液分解而产生气体,因内压上升而发生自燃或破裂的危险;反之,在过度放电状态下,电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化,从而降低可充电次数.

保护电路图

（1）可能造成重大环境影响的建设项目，编制环境影响报告书，对产生的环境影响应进行全面评价；该电路主要由锂电池保护专用集成电路ＤＷ０１，充、放电控制ＭＯＳＦＥＴ１（内含两只Ｎ沟道ＭＯＳＦＥＴ）等部分组成，单体锂电池接在Ｂ＋和Ｂ－之间，电池组从Ｐ＋和Ｐ－输出电压。

充电时，充电器输出电压接在Ｐ＋和Ｐ－之间，电流从Ｐ＋到单体电池的Ｂ＋和Ｂ－，再经过充电控制ＭＯＳＦＥＴ到Ｐ－。

在充电过程中，当单体电池的电压超过４．３５Ｖ时，专用集成电路ＤＷ０１的ＯＣ脚输出信号使充电控制ＭＯＳＦＥＴ关断，锂电池立即停止充电，从而防止锂电池因过充电而损坏。

放电过程中，当单体电池的电压降到２．３０Ｖ时，ＤＷ０１的ＯＤ脚输出信号使放电控制ＭＯＳＦＥＴ关断，锂电池立即停止放电，从而防止锂电池因过放电而损坏，ＤＷ０１的ＣＳ脚为电流检测脚，输出短路时，充放电控制ＭＯＳＦＥＴ的导通压降剧增，ＣＳ脚电压迅速升高，ＤＷ０１输出信号使充放电控制ＭＯＳＦＥＴ迅速关断，从而实现过电流或短路保护。

锂离子电池的保护电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全性,并防止特性劣化.锂离子电池的保护电路是由保护IC及两颗功率MOSFET所构成,其中保护IC监视电池电压,当有过度充电及放电状态时切换到以外挂的功率MOSFET来保护电池,保护IC的功能有过度充电保护、过度放电保护和过电流/短路保护.

过度充电保护

过度充电保护IC的原理为:

当外部充电器对锂电池充电时,为防止因温度上升所导致的内压上升,需终止充电状态.此时,保护IC需检测电池电压,当到达4.25V时（假设电池过充点为4.25V）即激活过度充电保护,将功率MOS由开转为关断,进而截止充电.

另外,还必须注意因噪声所产生的过度充电检出误动作,以免判定为过充保护.因此,需要设定延迟时间,并且延迟时间不能短于噪声的持续时间.

过度放电保护

在过度放电的情况下,电解液因分解而导致电池特性劣化,并造成充电次数的降低.采用锂电池保护IC可以避免过度放电现象发生,实现电池保护功能.

过度放电保护IC原理:

为了防止锂电池的过度放电状态,假设锂电池接上负载,当锂电池电压低于其过度放电电压检测点（假定为2.3V）时将激活过度放电保护,使功率MOSFET由开转变为关断而截止放电,以避免电池过度放电现象发生,并将电池保持在低静态电流的待机模式,此时的电流仅0.1uA.

当锂电池接上充电器,且此时锂电池电压高于过度放电电压时,过度放电保护功能方可解除.另外,考虑到脉冲放电的情况,过放电检测电路设有延迟时间以避免发生误动作.

过电流及短路电流

因为不明原因（放电时或正负极遭金属物误触）造成过电流或短路,为确保安全,必须使其立即停止放电.

过电流保护IC原理为,当放电电流过大或短路情况发生时,保护IC将激活过（短路）电流保护,此时过电流的检测是将功率MOSFET的Rds（on）当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形,如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电,计算公式为:

V-=I×Rds（on）×2（V-为过电流检测电压,I为放电电流）.假设V-=0.2V,Rds（on）=25mΩ,则保护电流的大小为I=4A.

同样地,过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时发生误动作.

通常在过电流发生后,若能去除过电流因素（例如马上与负载脱离）,将会恢复其正常状态,可以再进行正常的充放电动作.

锂电池保护IC的新功能

除了上述的锂电池保护IC功能之外,下面这些新的功能同样值得关注:

1.充电时的过电流保护

当连接充电器进行充电时突然发生过电流（如充电器损坏）,电路立即进行过电流检测,此时Cout将由高转为低,功率MOSFET由开转为关断,实现保护功能.

V-（Vdet4过电流检测电压,Vdet4为-0.1V）=I（充电电流）×Rds（on）×2

2.过度充电时的锁定模式

通常保护IC在过度充电保护时将经过一段延迟时间,然后就会将功率MOSFET关断以达到保护的目的,当锂电池电压一直下降到解除点（过度充电滞后电压）时就会恢复,此时又会继续充电-保护-放电-充电-放电.这种状态的安全性问题将无法获得有效解决,锂电池将一直重复着充电-放电-充电-放电的动作,功率MOSFET的栅极将反复地处于高低电压交替状态,这样可能会使MOSFET变热,还会降低电池寿命,因此锁定模式很重要.假如锂电保护电路在检测到过度充电保护时有锁定模式,MOSFET将不会变热,且安全性相对提高很多.

在过度充电保护之后,只要充电器连接在电池包上,此时将进入过充锁定模式.此时,即使锂电池电压下降也不会发生再充电的情形,将充电器移除并连接负载即可恢复充放电的状态.

3.减小保护电路组件尺寸

将过度充电和短路保护用的延迟电容集成到到保护IC里面,以减小保护电路组件尺寸.

对保护IC性能的要求

1.过度充电保护的高精度化

当锂离子电池有过度充电状态时,为防止因温度上升所导致的内压上升,须截止充电状态.保护IC将检测电池电压,当检测到过度充电时,则过度充电检测的功率MOSFET使之关断而截止充电.此时应注意的是过度充电的检测电压的高精度化,在电池充电时,使电池充电到饱满的状态是使用者很关心的问题,同时兼顾到安全性问题,因此需要在达到容许电压时截止充电状态.要同时符合这两个条件,必须有高精度的检测器,目前检测器的精度为25mV,该精度将有待于进一步提高.

2.降低保护IC的耗电

随着使用时间的增加,已充过电的锂离子电池电压会逐渐降低,最后低到规格标准值以下,此时就需要再度充电.若未充电而继续使用,可能造成由于过度放电而使电池不能继续使用.为防止过度放电,保护IC必须检测电池电压,一旦达到过度放电检测电压以下,就得使放电一方的功率MOSFET关断而截止放电.但此时电池本身仍有自然放电及保护IC的消耗电流存在,因此需要使保护IC消耗的电流降到最低程度.

3.过电流/短路保护需有低检测电压及高精度的要求

因不明原因导致短路时必须立即停止放电.过电流的检测是以功率MOSFET的Rds（on）为感应阻抗,以监视其电压的下降,此时的电压若比过电流检测电压还高时即停止放电.为了使功率MOSFET的Rds（on）在充电电流与放电电流时有效应用,需使该阻抗值尽量低,目前该阻抗约为20mΩ~30mΩ,这样过电流检测电压就可较低.

4.耐高电压

电池包与充电器连接时瞬间会有高压产生,因此保护IC应满足耐高压的要求.

5.低电池功耗

在保护状态时,其静态耗电流必须要小0.1uA.

6.零伏可充电

有些电池在存放的过程中可能因为放太久或不正常的原因导致电压低到0V,故保护IC需要在0V时也可以实现充电.

保护IC发展展望

如前所述,未来保护IC将进一步提高检测电压的精度、降低保护IC的耗电流和提高误动作防止功能等,同时充电器连接端子的高耐压也是研发的重点.

在封装方面,目前已由SOT23-6逐渐转向SON6封装,将来还有CSP封装,甚至出现COB产品用以满足现在所强调的轻薄短小要求.

在功能方面,保护IC不需要集成所有的功能,可根据不同的锂电池材料开发出单一保护IC,如只有过充保护或过放保护功能,这样可以大大减少成本及尺寸.

当然,功能组件单晶体化是不变的目标,如目前手机制造商都朝向将保护IC、充电电路以及电源管理IC等外围电路与逻辑IC构成双芯片的芯片组,但目前要使功率MOSFET的开路阻抗降低,难以与其它IC集成,即使以特殊技术制成单芯片,恐怕成本将会过高.因此,保护IC的单晶体化将需一段时间来解决.

4.将环境影响价值纳入项目的经济分析看了不少资料和文章，自己也在研究，但是在锂电池保护电路方面，很难找到不错的探讨专题。

鄙人认为，只有多多讨论，才能一起进步，相信这也是不少同志持有的观点。

那么，鄙人不才，权且当个探路人，先抛两块石头，希望能引出更多大家的言论。

保护电路是专为锂电池这类可再充电的电池设计的,主要提供过充电、过放电和过电流的保护功能,此外还提供从保护状态下恢复的功能,有些还可以提供电池0V充电的功能。

（不知道是否有电路还提供一些其他的功能？

？

或者说需要一些特殊的功能，但就目前常用的保护电路来说，无法实现？

？

）

锂电池保护电路中，主要组成部分是保护IC和MOSFET，而安全保护IC主要控制回路中充电和放电MOSFET的通断。

这里我只是将一些参数做简单的罗列，并不打算详细说明，也不去罗嗦。

如有漏掉的内容，还请各位补充！

（过充保护电压及释放电压:

过放保护电压及释放电压:

过充电电流:

过放电电流:

短路保护电流:

过充保护延迟时间:

过放保护延迟时间:

过充电电流延迟时间:

过放电电流延迟时间:

短路保护电流延迟时间:

）

保护电路的原理如下，也是简单说明，有说得不到之处，还请各位指出：

1．  在充电过程中,当电芯电压超过安全保护IC的过充电检测电压（4.25—4.3V）,并且这种状态持续且超过安全保护IC的过充电检测延迟时间（1000ms）,安全保护IC将断开充电MOSFET以停止充电。

2．  在过充电保护状态下,当电芯的电压恢复到安全保护IC的过充电恢复检测电压（4.15—4.2V）以下,并延时一段以后,安全保护IC将闭合充电MOSFET,使回路恢复到正常状态;或者,电池外加一个负载放电,安全保护IC也将闭合充电MOSFET使回路恢复到正常状态。

3．  在放电过程中,当电芯电压低于安全保护IC的过放电检测电压（2.3V）,并且这种状态持续且超过安全保护IC的过放电检测延迟时间（125ms）,安全保护IC将断开放电MOSFET以停止电池放电功能。

4．  在过放电保护状态下,当电芯的电压恢复到安全保护IC的过放电恢复检测电压（2.4V）以上,并且电池正负两端有一充电电压触发,安全保护IC将闭合放电MOSFET,使回路恢复到正常状态。

5．  过流保护。

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

6．  短路保护。

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.

7．  有些保护电路具备0V充电功能,当电池电芯的电压通过自放电或其他方式降为0V时,电池能够通过充电器充电。

就鄙人目前对保护电路了解的情况看，主要分成两种形式：

一：

  保护IC与MOSFET分离式。

    这种结构是目前市面上最常用的方式。

根据应用档次的不同，保护IC和MOSFET的品牌也有所不同。

  档次要求高点的：

IC用R5421，S-8261，MM3090；MOSFET用TPC8209，

MCH6405

    档次要求低点的：

IC用SC451，AM7021，DW01；MOSFET用AO8810，FSD9926

    更低点的：

用CS213+单MOS产品

二：

    保护IC与MOSFET集成式

    这种结构在近两年已经上市，而且了解到也有一些公司在使用，只是相对比例不大，但很有潜力

    目前只有科园一家在做这样的产品，他们也是根据应用档次的不同，从高到低依次分成CR6001，CR6002，CR6003，CR6005。

鄙人看来，这几款主要区别还在MOS的内阻上，应用档次越高，内阻越小。

    这两种结构各有优劣。

    从性能上讲：

分离式的耐压和过流方面更具有可选性，而且在温度高低对整个电路的

影响上来讲，分离式的似乎更占有优势，某些参数上温漂影响较小（这也是鄙人从朋友那里得到的信息，是否如此？

？

还希望有经验的朋友发表个人的看法）

内置MOS，温度有限，并且只能在小功率的应用中。

大功率的应用是否会是一个瓶颈？

？

    从价格上讲：

  内置式的，无论在备货、生产、检测中都具有强烈的优势。

据了解，科

园系列产品在综合成本上比分离式的有着很大的优势

    就算内置式的不适用于大功率的应用，但就目前手机、MP3、相机等电池中，内置式所占的比重仍然较小，一定有其先天的问题。

。

还请熟悉情况的各位指点一二，让其他人都能对这部分有更多的了解。

手机锂离子电池保护电路原理分析

手机锂离子电池保护电路原理分析由于锂离子电池的特性与其它可充电电池不同，内部通常都带有一块电路板，不少人对该电路的作用不了解（有些人可能还不知道锂电里有保护电路），下面将对锂离子电池的特点及其保护电路工作原理进行阐述。

    锂电池分为一次电池和二次电池两类，目前在手机里的备用电池因耗电小主要使用不可充电的一次锂电池，而在手机主电池因耗电量较大则使用可充电的二次电池，即锂离子电池。

  与镍镉和镍氢电池相比，锂离子电池具备以下几个优点：

  1、电压高，单节锂离子电池的电压可达到3.6V，远高于镍镉和镍氢电池的1.2V电压。

  2、容量密度大，其容量密度是镍氢电池或镍镉电池的1.5-2.5倍。

  3、荷电保持能力强（即自放电小），在放置很长时间后其容量损失也很小。

  4、寿命长，正常使用其循环寿命可达到500次以上。

  5、没有记忆效应，在充电前不必将剩余电量放空，使用方便。

  由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应,该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。

  下图为一个典型的锂离子电池保护电路原理图。

    如上图所示，该保护回路由两个MOSFET（V1、V2）和一个控制IC（N1）外加一些阻容元件构成。

控制IC负责监测电池电压与回路电流，并控制两个MOSFET的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断，C3为延时电容，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作原理分析如下：

  1、正常状态

  在正常状态下电路中N1的“CO”与“DO”脚都输出高电压，两个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。

此状态下保护电路的消耗电流为μA级，通常小于7μA。

  2、过充电保护

  锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到4.2V（根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为4.1V），转为恒压充电，直至电流越来越小。

  电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过4.3V时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。

  在带有保护电路的电池中，当控制IC检测到电池电压达到4.28V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“CO”脚将由高电压转变为零电压，使V2由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。

而此时由于V2自带的体二极管VD2的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。

在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为1秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

  3、过放电保护

  电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至2.5V时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。

  在电池放电过程中，当控制IC检测到电池电压低于2.3V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。

而此时由于V1自带的体二极管VD1的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。

  由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时控制IC会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于0.1μA。

  在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为100毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

  4、过电流保护

  由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C（C=电池容量/小时），当电池超过2C电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。

  电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的2个MOSFET时，由于MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U=I*RDS*2,RDS为单个MOSFET导通阻抗，控制IC上的“V-”脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使U>0.1V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。

  在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常为13毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

  在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值，还取决于MOSFET的导通阻抗，当MOSFET导通阻抗越大时，对同样的控制IC，其过电流保护值越小。

  5、短路保护

  电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>0.9V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。

短路保护的延时时间极短，通常小于7微秒。

其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。

  以上详细阐述了单节锂离子电池保护电路的工作原理，上面电路中所用的控制IC为日本理光公司的R5421系列，在实际的电池保护电路中，还有许多其它类型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、台湾富晶的FS312和FS313系列、台湾类比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小异，只是在具体参数上有所差别，有些控制IC为了节省外围电路，将滤波电容和延时电容做到了芯片内部，其外围电路可以很少，如日本精工的S-8241系列。

  除了控制IC外，电路中还有一个重要元件，就是MOSFET，它在电路中起着开关的作用，由于它直接串接在电池与外部负载之间，因此它的导通阻抗对电池的性能有影响，当选用的MOSFET较好时，其导通阻抗很小，电池包的内阻就小，带载能力也强，在放电时其消耗的电能也少。

  随着科技的发展，手机的体积越做越小，而随着这种趋势，对锂离子电池的保护电路体积的要求也越来越小，在这两年已出现了将控制IC和MOSFET整合成一颗保护IC的产品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的厂家甚至将整个保护电路封装成一颗小尺寸的IC，如MITSUMI公司的产品。

  手机的锂离子电池在损坏后，有些是保护电路出故障（尤其是进水机的电池），因此有些锂电可以拆开来修复，既环保又不浪费

意愿调查评估法（简称CV法）是指通过调查等方法，让消费者直接表述出他们对环境物品或服务的支付意愿（或接受赔偿意愿），或者对其价值进行判断。

在很多情形下，它是唯一可用的方法。

如用于评价环境资源的选择价值和存在价值。

（5）法律、行政法规和国务院规定的其他建设项目。

离子电池保护电路设计

（3）环境影响技术评估。

（4）是否满足环境功能区划和生态功能区划标准。

环境敏感区，是指依法设立的各级各类自然、文化保护地，以及对建设项目的某类污染因子或者生态影响因子特别敏感的区域。

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1.环境影响评价工作等级的划分　摘要:

本文介绍了锂离子电池保护电路:

过度充电保护、过电流/短路保护和过放电保护等原理及主要设计思路,并通过计算确定其相关参数。

关键词:

集成保护电路;充电保护;放电保护;过电流及短路电流保护

近年来,锂电池由于具有体积小、质量轻、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、电池电压高和自放电率低等优点,因而在PDA、数码相机、手机、便携式音讯设备和蓝牙设备等越来越多的产品上采用锂电池作为主要电源。

但锂电池与镍镉、镍氢电池不太一样,锂电池必须考虑充电、放电时的安全性,以防止特性劣化。

但锂离子电池能量密度高,难以确保电池的安全性,在过度充电状态下,电池温度上升后能量将过剩,于是电解液分解而产生气体,容易使内压上升而产生自燃或破裂的危险;反之,在过度放电状态下,电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化,降低可充电次数。

因此锂电池的过充、过度放电、过电流及短路保护很重要,所以通常都会在电池包内设计保护线路,用以保护锂电池。

1　电路设计

1.1电路概述

锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流/短路保护和过放电保护等,该电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全,并防止特性劣化。

它主要由集成保护电路IC、贴片电阻、贴片电容、场效应管（MOSFET）、有的还有热敏电阻（NTC）、识别电阻（ID）、保险丝（FUSE）等构成。

其电路图如图1所示。

图1　锂离子电池保护电路图

其中集成保护电路IC用来检测保护电路当前的电压、电流、时间等参数以此来控制场效应管的开关状态;场效应管（MOSFET）则根据保护IC来控制回路中是否有需开或关;贴片电阻用作限流;贴片电容作用为滤波、调节延迟时间;热敏电阻用来检测电池块内的环境温度;保险丝防止流过电池的电流过大,切断电流回路。

1.2　电路原理及