一文讀懂鋰電池的過充電、過放電、短路保護-模擬/電源

鋰電池基礎 鋰電池是可充電電池，一般的鋰電池充滿電是 4.2V 也有其它電壓的電池。鋰電池容量是 xxxmAh ，比如 1000mAh ，即 1000mA 的供電電流可以用 1 小時。500mA 供電能用 2 小時。依此類推。 鋰電池的壽命和充電方式 是指完全充滿放光的次數限制。 充電方式：快充，慢充，涓流充電，恆流充電等。 鋰電池電路設計的注意問題： 鋰電池過充，過放電都會影響電池的壽命。 注意鋰電池的充電電壓，充電電流。然後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。 設計過後要經過大量的測試。 鋰電池充電電路的設計 這裡選擇了芯片 TP4056 為例子。根據所接電阻不同可以控制充電最大電流。可以設計充電指示燈，可以設計充電溫度即多少到多少度之間進行充電。 充電保護電路，選擇芯片 DW01 和 GTT8205 的組合，可以做到短路保護，過充過放電的保護。 該電路主要由鋰電池保護專用集成電路 DW01，充、放電控制 MOSFET1(內含兩隻 N 溝道 MOSFET)等部分組成，單體鋰電池接在 B+和 B- 之間，電池組從 P+和 P- 輸出電壓。充電時，充電器輸出電壓接在 P+和 P- 之間，電流從 P+到單體電池的 B+和 B-，再經過充電控制 MOSFET 到 P-。在充電過程中，當單體電池的電壓超過 4.35V 時，專用集成電路 DW01 的 OC 腳輸出信號使充電控制 MOSFET 關斷，鋰電池立即停止充電，從而防止鋰電池因過充電而損壞。放電過程中，當單體電池的電壓降到 2.30V 時，DW01 的 OD 腳輸出信號使放電控制 MOSFET 關斷，鋰電池立即停止放電，從而防止鋰電池因過放電而損壞，DW01 的 CS 腳為電流檢測腳，輸出短路時，充放電控制 MOSFET 的導通壓降劇增，CS 腳電壓迅速升高，DW01 輸出信號使充放電控制 MOSFET 迅速關斷，從而實現過電流或短路保護。 鋰電池的優勢是什麼? 1. 高的能量密度 2. 高的工作電壓 3. 無記憶效應 4. 循環壽命長 5. 無汙染 6. 重量輕 7. 自放電小 鋰聚合物電池具有哪些優點? 1. 無電池漏液問題,其電池內部不含液態電解液,使用膠態的固體。 2. 可製成薄型電池：以 3.6V400mAh 的容量，其厚度可薄至 0.5mm。 3. 電池可設計成多種形狀 4. 電池可彎曲變形：高分子電池最大可彎曲 900 左右 5. 可製成單顆高電壓：液態電解質的電池僅能以數顆電池串聯得到高電壓，高分子電池由於本身無液體，可在單顆內做成多層組合來達到高電壓。 7. 容量將比同樣大小的鋰離子電池高出一倍 IEC 規定鋰電池標準循環壽命測試為: 電池以 0.2C 放至 3.0V/ 支後 1. 1C 恆流恆壓充電到 4.2V 截止電流 20mA 擱置 1 小時再以 0.2C 放電至 3.0V(一個循環) 反覆循環 500 次後容量應在初容量的 60%以上 國家標準規定鋰電池的標準荷電保持測試為(IEC 無相關標準). 電池在 25 攝氏度條件下以 0.2C 放至 3.0/ 支後,以 1C 恆流恆壓充電到 4.2V,截止電流 10mA,在溫度為 20+_5 下儲存 28 天后,再以 0.2C 放電至 2.75V 計算放電容量 什麼是二次電池的自放電不同類型電池的自放電率是多少? 自放電又稱荷電保持能力，它是指在開路狀態下，電池儲存的電量在一定環境條件下的保持能力。一般而言，自放電主要受制造工藝，材料，儲存條件的影響自放電是衡量電池性能的主要參數之一。一般而言，電池儲存溫度越低，自放電率也越低，但也應注意溫度過低或過高均有可能造成電池損壞無法使用，BYD 常規電池要求儲存溫度範圍為 -20~45。電池充滿電開路擱置一段時間後，一定程度的自放電屬於正常現象。IEC 標準規定鎳鎘及鎳氫電池充滿電後，在溫度為 20 度溼度為 65%條件下，開路擱置 28 天，0.2C 放電時間分別大於 3 小時和 3 小時 15 分即為達標。 與其它充電電池系統相比，含液體電解液太陽能電池的自放電率明顯要低，在 25 下大約為 10%/ 月。 什麼是電池的內阻怎樣測量? 電池的內阻是指電池在工作時,電流流過電池內部所受到的阻力,一般分為交流內阻和直流內阻,由於充電電池內阻很小,測直流內阻時由於電極容量極化,產生極化內阻,故無法測出其真實值,而測其交流內阻可免除極化內阻的影響,得出真實的內值 . 交流內阻測試方法為:利用電池等效於一個有源電阻的特點,給電池一個 1000HZ,50mA 的恆定電流,對其電壓採樣整流濾波等一系列處理從而精確地測量其阻值 . 什麼是電池的內壓電池正常內壓一般為多少? 電池的內壓是由於充放電過程中產生的氣體所形成的壓力 . 主要受電池材料製造工藝,結構等使用過程因素影響 . 一般電池內壓均維持在正常水平,在過充或過放情況下,電池內壓有可能會升高: 如果複合反應的速度低於分解反應的速度,產生的氣體來不及被消耗掉,就會造成電池內壓升高 . 什麼是內壓測試? 鋰電池內壓測試為:(UL 標準) 模擬電池在海拔高度為 15240m 的高空(低氣壓 11.6kPa)下,檢驗電池是否漏液或發鼓 . 具體步驟:將電池 1C 充電恆流恆壓充電到 4.2V,截止電流 10mA ,然後將其放在氣壓為 11.6Kpa,溫度為(20+_3)的低壓箱中儲存 6 小時,電池不會爆炸,起火,裂口,漏液 . 環境溫度對電池性能有何影響? 在所有的環境因素中，溫度對電池的充放電性能影響最大，在電極 / 電解液界面上的電化學反應與環境溫度有關，電極 / 電解液界面被視為電池的心臟。如果溫度下降，電極的反應率也下降，假設電池電壓保持恆定，放電電流降低，電池的功率輸出也會下降。如果溫度上升則相反，即電池輸出功率會上升，溫度也影響電解液的傳送速度溫度上升則加快，傳送溫度下降，傳送減慢，電池充放電性能也會受到影響。但溫度太高，超過 45，會破壞電池內的化學平衡，導致副反應 過充電的控制方法有哪些? 為了防止電池過充，需要對充電終點進行控制，當電池充滿時，會有一些特別的信息可利用來判斷充電是否達到終點。一般有以下六種方法來防止電池被過充： 1. 峰值電壓控制:通過檢測電池的峰值電壓來判斷充電的終點; 2. dT/dt 控制:通過檢測電池峰值溫度變化率來判斷充電的終點; 3. T 控制:電池充滿電時溫度與環境溫度之差會達到最大; 4. -V 控制:當電池充滿電達到一峰值電壓後,電壓會下降一定的值 5. 計時控制:通過設置一定的充電時間來控制充電終點,一般設定要充進 130%標稱容量所需的時間來控制; 6. TCO 控制:考慮電池的安全和特性應當避免高溫(高溫電池除外)充電,因此當電池溫度升高 60 時應當停止充電。 什麼是過充電，對電池性能有何影響? 過充電是指電池經一定充電過程充滿電後，再繼續充電的行為。 由於在設計時，負極容量比正極容量要高，因此，正極產生的氣體透過隔膜紙與負極產生的鎘複合。故一般情況下，電池的內壓不會有明顯升高，但如果充電電流過大，或充電時間過長，產生的氧氣來不及被消耗，就可能造成內壓升高，電池變形，漏液，等不良現象。同時，其電性能也會顯著降低。 什麼是過放電，對電池性能有何影響? 電池放完內部儲存的電量，電壓達到一定值後，繼續放電就會造成過放電，通常根據放電電流來確定放電截止電壓。0.2C-2C 放電一般設定 1.0V/ 支,3C 以上如 5C 或 10C 放電設定為 0.8V/ 支,電池過放可能會給電池帶來災難性的後果,特別是大電流過放，或反覆過放對電池影響更大。一般而言，過放電會使電池內壓升高，正負極活性物質可逆性受到破壞，即使充電也只能部分恢復，容量也會有明顯衰減。 不同容量的電池組合在一起使用會出現什麼問題? 如果將不同容量或新舊電池混在一起使用,有可能出現漏液,零電壓等現象。這是由於充電過程中，容量差異導致充電時有些電池被過充，有些電池未充滿電，放電時有容量高的電池未放完電，而容量低的則被過放。如此惡性循環，電池受到損害而漏液或低(零)電壓。 什麼是電池的爆炸怎樣預防電池爆炸?電池內的任何部分的固態物質瞬間排出，被推至離電池 25cm 以上的距離，稱為爆炸。判別電池爆炸與否，採用下述條件實驗。將一網罩住實驗電池，電池居於正中，距網罩任何一邊為 25cm。網的密度為 6-7 根 /cm，網線採用直徑為 0.25mm 的軟鋁線，如果實驗無固體部分通過網罩，證明該電池未發生爆炸。 鋰電池串聯問題 由於電池在生產過程中，從塗膜開始到成為成品要經過很多道工序。即使經過嚴格的檢測程序，使每組電源的電壓、電阻、容量一致，但使用一段時間，也會產生這樣或那樣的差異。如同一位母親生的雙胞胎，剛生下時可能長得一模一樣，做為母親都很難分辨。然而，在兩個孩子不斷成長時，就會產生這樣或那樣的差異鋰動力電池也是這樣。使用一段時間產生差異後，採用整體電壓控制的方式是難以適用於鋰動力電池的，如一個 36V 的電池堆，必須用 10 只電池串聯。整體的充電控制電壓是 42V，而放電控制電壓是 26V。用整體電壓控制方式，初始使用階段由於電池一致性特別好，也許不會出現什麼問題。在使用一段時間以後電池內阻和電壓產生波動，形成不一致的狀態，(不一致是絕對的，一致性是相對的)這種時候仍然使用整體電壓控制是不能達到其目的的。例如 10 只電池放電時其中兩隻電池的電壓在 2.8V，四隻電池的電壓是 3.2V，四隻是 3.4V，現在的整體電壓是 32V，我們讓它繼續放電一直工作到 26V。這樣，那兩隻 2.8V 的電池就低於 2.6V 處於了過放狀態。鋰電池幾次過放就等於報廢。反之，用整體電壓控制充電的方式進行充電，也會出現過充的狀況。比如用上述 10 只電池當時的電壓狀態進行充電。整體電壓達到 42V 時，那兩隻 2.8V 的電池處於"飢餓"的狀態，而迅速吸收電量，就會超過 4.2V，而過充的超過 4.2V 的電池，不僅由於電壓過高產生報廢，甚至還會發生危險，這就是鋰動力電池的特性。 鋰離子電池的額定電壓為 3.6V(有的產品為 3.7V)。充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關：陽極材料為石墨的 4.2V;陽極材料為焦炭的 4.1V。不同陽極材料的內阻也不同，焦炭陽極的內阻略大，其放電曲線也略有差別，如圖 1 所示。一般稱為 4.1V 鋰離子電池及 4.2V 鋰離子電池。現在使用的大部分是 4.2V 的，鋰離子電池的終止放電電壓為 2.5V～2.75V(電池廠給出工作電壓範圍或給出終止放電電壓，各參數略有不同)。低於終止放電電壓繼續放電稱為過放，過放對電池會有損害。 便攜式電子產品以電池作為電源。隨著便攜式產品的迅猛發展，各種電池的用量大增，並且開發出許多新型電池。除大家較熟悉的高性能鹼性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外，還有近年來開發的鋰電池。本文主要介紹有關鋰電池的基本知識。這包括它的特性、主要參數、型號的意義、應用範圍及使用注意事項等。 鋰是一種金屬元素，其化學符號為 Li(其英文名為 lithium)，是一種銀白色、十分柔軟、化學性能活潑的金屬，在金屬中是最輕的。它除了應用於原子能工業外，可製造特種合金、特種玻璃(電視機上用的熒光屏玻璃)及鋰電池。在鋰電池中它用作電池的陽極。 鋰電池也分成兩大類：不可充電的及可充電的兩類。不可充電的電池稱為一次性電池，它只能將化學能一次性地轉化為電能，不能將電能還原回化學能(或者還原性能極差)。而可充電的電池稱為二次性電池(也稱為蓄電池)。它能將電能轉變成化學能儲存起來，在使用時，再將化學能轉換成電能，它是可逆的，如電能化學能鋰電池的主要特點。 靈巧型便攜式電子產品要求尺寸孝重量輕，但電池的尺寸及重量與其它電子元器件相比往往是最大的及最重的。例如，想當年的“大哥大”是相當“粗大、笨重”，而今天的手機是如此的輕巧。其中電池的改進是起了重要作用的：過去是鎳鎘電池，現在是鋰離子電池。 鋰電池的最大特點是比能量高。什麼是比能量呢?比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用 Wh/kg 或 Wh/L 來表示。Wh 是能量的單位，W 是瓦、h 是小時;kg 是千克(重量單位)，L 是升(體積單位)。這裡舉一個例來說明：5 號鎳鎘電池的額定電壓為 1 2V，其容量為 800mAh，則其能量為 0 96Wh(1 2V×0 8Ah)。同樣尺寸的 5 號鋰 - 二氧化錳電池的額定電壓為 3V，其容量為 1200mAh，則其能量為 3 6Wh。這兩種電池的體積是相同的，則鋰 - 二氧化錳電池的比能量是鎳鎘電池的 375 倍! 一節 5 號鎳鎘電池約重 23g，而一節 5 號鋰 - 二氧化錳電池約重 18g。一節鋰 - 二氧化錳電池為 3V，而兩節鎳鎘電池才 2 4V。所以採用鋰電池時電池數量少(使便攜式電子產品體積減孝重量減輕)，並且電池的工作壽命長。 另外，鋰電池具有放電電壓穩定、工作溫度範圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應及無公害等優點。 不可充電的鋰電池 不可充電的鋰電池有多種，目前常用的有鋰 - 二氧化錳電池、鋰—亞硫酰氯電池及鋰和其它化合物電池。本文僅介紹前兩種最常用的。 1、鋰 - 二氧化錳電池(Li MnO2) 鋰 - 二氧化錳電池是一種以鋰為陽極、以二氧化錳為陰極，並採用有機電解液的一次性電池。該電池的主要特點是電池電壓高，額定電壓為 3V(是一般鹼性電池的 2 倍);終止放電電壓為 2V;比能量大(見上面舉的例子);放電電壓穩定可靠;有較好的儲存性能(儲存時間 3 年以上)、自放電率低(年自放電率≤2%);工作溫度範圍 -20℃～+60℃。 該電池可以做成不同的外形以滿足不同要求，它有長方形、圓柱形及鈕釦形(扣式)。圓柱形的也有不同的直徑及高度尺寸。這裡列舉大家較熟悉的 1#(尺寸代碼 D)、2#(尺寸代碼 C)及 5#(尺寸代碼 AA)電池的主要參數。 CR 表示為圓柱形鋰 - 二氧化錳電池;五位數字中，前兩位表示電池的直徑,後三位表示帶一位小數的高度。例如，CR14505，其直徑為 14mm，高度為 50 5mm(這種型號是通用的)。 這裡要指出的是不同工廠生產的同型號的電池其參數可能有些差別。另外，標準放電電流值是較小的，實際放電電流可以大於標準放電電流，並且連續放電及脈衝放電的允許放電電流也不同，由電池廠提供有關數據。例如，力興電源公司生產的 CR14505 給出最大連續放電電流為 1000mA，最大脈衝放電電流可達 2500mA。 照相機中用的鋰電池多半是鋰 - 二氧化錳電池。這裡將照相機中常用的鋰 - 二氧化錳電池列入表 2，供參考。 鈕釦式(扣式)電池尺寸較小，其直徑為 12 5～24 5mm，高度為 1 6～5 0mm。幾種較常用的扣式電池如表 3 所示。 CR 為圓柱形鋰 - 二氧化錳電池，後四位數字中前兩位為電池的直徑尺寸，後兩位為帶小數點的高度尺寸。例如，CR1220 的直徑為 12 5mm(不包括小數點後的數)，其高度為 2 0mm。這種型號表示方法是國際通用的。 這種扣式電池常用於時鐘、計算器、電子記事本、照相機、助聽器、電子遊戲機、IC 卡、備用電源等。 2、鋰 - 亞硫酰氯電池(Li SOCl2) 鋰 - 亞硫酰氯電池是比能量最高的一種，目前可達到 500Wh/kg 或 1000Wh/L 的水平。它的額定電壓是 3 6V，以中等電流放電時具有極其平坦的 3 4V 放電特性(可在 90%容量範圍內平坦地放電，保持不大的變化)。電池可以在 -40℃～+85℃範圍內工作，但在 -40℃時的容量約為常溫容量的 50%。自放電率低(年自放電率≤1%)、儲存壽命長達 10 年以上。 以 1#(尺寸代碼 D)鎳鎘電池與 1#鋰 - 亞硫酰氯電池的比能量作一個比較：1#鎳鎘電池的額定電壓為 1 2V，容量為 5000mAh;1#鋰 - 亞硫酰氯的額定電壓為 3 6V，容量為 10000mAh，則後者的比能量比前者大 6 倍! 應用注意事項 上述兩種鋰電池是一次性電池，不可充電(充電時有危險!);電池正負極之間不可短路;不可以過大電流放電(超過最大放電電流放電);電池使用至終止放電電壓時，應從電子產品中及時取出;用完的電池不可擠壓、焚燒及拆卸;不可超過規定溫度範圍使用。 由於鋰電池的電壓高於普通電池或鎳鎘電池，使用時不要搞錯以免損壞電路。通過熟悉型號中的 CR、ER 就可以知道它的種類及額定電壓。在購買新電池時，一定要按原來的型號來買，否則會影響電子產品性能。 案例： 最近在給一些孩子做機器人方面的培訓，非常有前瞻意識的家長覺得認可我這個工程師的背景願意把孩子給我培養。 其實作為工程師看來，就是用一些創客的工具（類似於 arduino、樹莓派這種降低開發難度的開發板的應用），提前讓孩子接觸軟硬件、以及一些控制、傳感器相關的知識。但是孩子們還是非常開心的參與進來。因為小朋友這麼小的年紀，自己組裝一個智能的機器人，真的非常有成就感。 孩子們玩的還是很開心的。但是現實的問題來了，由於目前的設計是，直接由鋰電池對電機驅動器、舵機等高能耗的器件進行供電的。小朋友玩到最開心的時候，發現“電池沒電了”。很多孩子在機器人工作完成之後，沒有及時關閉電源。導致了“過放”。最後我們產生大量的“報廢電池”。 所以我們需要對現有的電路進行整改。但是改板工作量比較大，而且現有產品的庫存就無法使用，造成浪費。小朋友如果電池報廢了，我們都是免費進行更換，追求最大的客戶滿意度。 一開始想到：“使用充電寶”，但是充電寶一般是用於手機充電，最大輸出電流一般在 0.5A 或者 1A（經過試驗，市面上大多數充電寶），不能驅動電機驅動器，而選用 2A、3A 的充電寶，成本太高。而且電壓偏低，導致電機的轉速偏低。 所以我們通過增加一個鋰電池充放電保護的模塊，對現有電路進行改造。這樣不用擔心，組裝過程中，電池的一些短路、過放的情況，都可以避免。