電池類型及其保護

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（可恢復保險器件）用于過溫度及過電流保護。當電池芯溫度過高或電流過大時，PPTC 會變成高阻狀態(tài)，從而阻斷電池芯充放電電流，避免電池起火爆炸。

  2. 方形鋰電池

MHP-TA 及 PPTC 緊貼電池芯的設(shè)計可以使 MHP-TA 和 PPTC 更好的感測電池溫度，當電池溫度異常升高時可以呈現(xiàn)高阻，阻礙電池的充放電電流，確保電池的安全使用。

 
保護電路可分為兩部分：主動組件保護（保護 IC 和 MOSFET），又稱為一級保護，被動組件保護（MHP，PTC，F(xiàn)use），又稱為二級保護。一級保護電路主要是針對電池的過充、過放、過載及短路進行 保護，采用IC 檢測電池電壓及充放電電流去控制 MOSFET 導通或關(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方案

1.（Safety IC + MOSFET）+ Fuse

這種放案里的 Fuse 有三種：熱保險絲， 普通電流保險絲，慢斷型電流保險絲。

熱保險絲可以較好的保護電池芯避免因發(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絲的誤動作，其不可恢復特性使得這種方案的應用有一定的局限性。

普通電流保險絲成本低，對于電池的過充電保護效果不佳，因為其不能感測電池芯的溫度。電池短路容易燒斷保險絲，不可恢復，電池報廢，因此，這種保護方案主要應用于低端的鋰電池。

慢 斷型電流保險絲的動作時間長于 Safety IC 的過電流保護動作時間，這就保證了 Safety IC 作為主動組件的第一級保護作用，不會觸發(fā)作為二級保護的保險絲，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

鋰電池起火爆炸的可能原因：

A. 由于電路參數(shù)設(shè)計不當或組件故障導致保護電路實效。

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)標準明確要求鋰電池在一級保護失效的情況下可以安全充放電。因此，為了讓鋰電池的應用更加安全，在一級保護電路 （IC/MOSFET）的基礎(chǔ)上，又增加了一級被動組件保護，使用可恢復保險器件（PTC 或 MHP）去檢測電池芯的溫度，當溫度異常升高時，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，保護原理如下圖。由圖可知，當電池溫度升高時，PTC 動作，充電回路高阻，電流接近零，電池溫度迅速下降。

下圖為模擬 6 串電池的過充電測試，目的是探測電池不同位置的溫度變化。

 
下圖為另一個電池溫度的試驗

 
上面的試驗結(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）

 
采用雙重主動組件保護可以提供保護電路的可靠性，降低保護組件的失效概率，同時，可以滿足安規(guī)的要求。但是，對于電池型的保護并不是非常完善的。
下圖是導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，如果沒有被動組件 PTC / MHP 感測電池溫度，即使雙重保護也不能防止電池的起火爆炸。

雙重保護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，大約85% 以上的電池起火爆炸都是因為電池芯本身的問題，所以，單從保護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，安全性會更加受到重視，基于上述幾種鋰電池保護方案的分析比較，(Safety IC + MOSFET) + PTC/MHP 保護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，這種方案是應用最為廣泛的，性價比也是最高的。

本文是高級應用工程師 何一兵先生 發(fā)表在電路保護博客

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