乾貨|深入剖析鋰電池保護電路工作原理

1. 鋰離子電池介紹鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處於富鋰狀態；放電時則相反。

鋰離子電池電壓範圍2.8V~4.2V，典型電壓3.7V，低於2.8V或者高於4.2V，電池都會有損壞風險。

2. 1C和0.1C的概念

電池容量的單位是mAh，C指的是電池充放電的倍率，比如一個2000mAh的電池，以1C放電指的是放電電流大小為2000mA，0.1C為200mA，充電也是同樣的道理。

3. 鋰離子電池的優缺點

鋰離子電池的主要優點：

鋰離子電池電壓高，能量密度高；

循環壽命長，一般可循環500，甚至達到1000次以上；

自放電小，室溫下充滿電的Li-ion儲存1個月後的自放電率為10%左右；

可快速充電，1C充電時容量可以達到標稱的80%；

工作溫度範圍寬，一般為-25~45°C，後面有望突破-40-70°C；

沒有Ni-Cd、Ni-Mh一樣的記憶效應，在充電前不必將剩餘電量用完；

相比較Ni-Cd、Ni-Mh來說環保無汙染（不含鎘，汞等重金屬）；

鋰離子電池的主要缺點：

成本高；

需要加保護電路板，包括過充和過放保護；

不能大電流放電，一般放電電流在0.5C以下，過大的電流導致電池內部發熱；

安全性差，容易爆炸、起火。

4. 鋰電池和鋰離子電池的區別

鋰電池和鋰離子電池是兩個不同的概念，主要有如下的區別：

鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫醯氯，負極是鋰；

鋰離子電池是以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子；

鋰電池也稱一次鋰電池，可以連續放電，也可以間歇放電，一旦電能耗盡便不能再用，不能進行充電；

鋰離子電池也稱二次鋰電池，可以充放電；

5. 鋰離子電池充電模式

鋰離子電池理想充電模式被稱為CC CV模式，即恆流 恆壓模式。

如下的圖形中，灰色為電池電壓，綠色為充電電流，紅色為電池容量。

在電池電壓低時，電池以固定的恆定電流進行充電，當電池電壓達到4.2V時，會由恆流模式切換到恆壓模式，因為電池的電壓不容許超過4.2V，所以系統會逐漸減小充電電流，直到接近於0；當電池電壓為4.2V，且充電電流為0，代表電池已充滿電。

鋰離子電池CC CV模式

為了保證電池的絕對安全，實際的充電模式會更細化，對於不確定的電池上來就按照恆流進行充電，會給電池造成更大的損壞。

測試模式，當電池電壓低於2V時，會以很小的電流，對電池進行喚醒；

涓流充電，也叫預充模式，當電池電壓處於2V~3V之間時，會以恆流充電的1/10或者1/20電流大小進行預充；

恆流充電，當電池電壓升至3V以上時，會以恆流模式對電池快速充電；

恆壓充電，當電池電壓達到4.2V時，會以恆壓模式對電池進行充電；

像TI的方案，在電池電壓為4.2V，充電電流較低但不為0，約為恆流充電電流的1/10時，停止充電，這時候電池電壓會降低到4.16V或者4.17V；

鋰離子電池充電的三個階段

6. 為什麼鋰離子電池充電截止電壓是4.2V

下圖是電池的循環壽命和充電截止電壓的關係圖，在電池最初的周期中，充電到略高的電壓會得到更高的單周期電量，但只會存在一小段時間。當電池的充電電壓比推薦的4.2V最高電壓還要高50mV或100mV時，由於每個周期都會略微過度充電，因此電池的老化速度會大大加快。

總結一句話就是：電池的充電截止電壓高於4.2V，電壓越高，循環壽命越短，且電池容量下降越快。

鋰離子電池循環壽命和充電截止電壓的關係

7. 鋰離子電池放電曲線

如下是鋰離子電池在不同放電電流下的放電曲線，可以看出：放電電流越大，電池的容量下降越快，容量越低，電池的標稱容量使用越不充分。

電池容量越低時，電池的內阻相應會增加較多，比較大的電流進行放電時，內阻增長的比較快。

鋰離子電池不同放電電流下的放電曲線

從不同溫度下的電池放電曲線可以看出：溫度越低，電池容量下降越快，放電越不充分。

電池的溫度在0度以下，內部活性成分很弱，內阻會相應的變大；過高的溫度對電池也有損壞。

鋰離子電池不同溫度下的放電曲線

8. 鋰離子電池循環次數

在實際中，每當累積的放電容量等於設計容量時，則記為循環一次。

鋰離子電池循環壽命

國標規定鋰離子電池的循環壽命測試條件及要求：在25度室溫條件下以1C充電150分鐘，以恆流1C的放電電流放到2.75V截止為一次循環。當有一次放電時間小於36分鐘時試驗結束，循環次數必須大於300次。

這個定義規定了循環壽命的測試是以深充深放方式進行的；

規定了循環壽命按照這個模式執行後必須超過300次以後容量仍然有60%以上；

9. 鋰離子電池工作電壓範圍

鋰離子電池的工作電壓有一個範圍，不同電芯廠家製造會有所不同，但是差別不大。

鋰離子電池電壓範圍

10.剖析鋰電池保護電路的工作原理

舉一個不恰當的例子，電池的充放電就像孩子喝母乳一樣。

1，如果一直讓孩子喝，家長不加以控制，那麼這個奶可能會被喝光，類似電池過放；

2，如果家長一直不給孩子喝奶，這個奶就會積攢越來越多，類似電池過充；

3，如果孩子喝奶喝的急，容易嗆奶，類似電池的過電流保護；

科學喝奶，規律喝奶，需要家長的監督，那電池如何做到科學充電和放電呢？

鋰電池都有一個使用的安全電壓區間，最高和最低電壓一般被稱為充放電終止電壓或截止電壓，當電池的實際工作電壓長時間低於放電終止電壓或者長時間高於充電終止電壓時，電池內部將發生不可逆轉的傷害，嚴重傷害電池，導致性能下降，俗稱電池衰減，電池衰減的表現就是電池的內阻增大，容量下降等。

所以一般鋰離子電池內部會有一個小的PCB板，和電池封裝在一起，如下圖所示，主要作用就是用來保護電池。

紅色框選部分為電池保護板

這個電路板根據組成電路不同，一般會有過放保護、過充保護、過流保護、短路保護以及控制IC失效之後的FUSE保護這幾種，下面會以一個常見的電路，講解這幾種保護的工作原理。

11.鋰電池保護板組成

一般的鋰電池保護板由控制IC、MOS管、電阻電容、保險絲FUSE等組成，如下圖所示。

常見的鋰電池保護板電路圖

TH為溫度檢測，內部是一個10K NTC接到電池負極；ID是電池在位檢測，一般是47K/10K電阻接到電阻負極，有的是0R電阻；TH和ID均是選配，並不是所有鋰電池都有的。

接著根據上面這麼電路，來看一下如下幾種保護的工作原理吧！

12.過充保護

電池充電時，電流（方向如箭頭所示）從電池包的正極流入，經過FUSE後從負極流出，最下方的兩個MOS管均是導通狀態。

電池充電時電流方向如箭頭所示

充電時，控制IC X1會時刻監測第5腳VDD和第6腳VSS之間的電壓，當這個電壓大於等於過充截止電壓且滿足過充電壓的延時時間時，X1會通過控制第3腳來關閉MOS管Q2，Q2被關閉之後，充電迴路被切斷（Q2的體二極體D2也是反向截止的），這個時候，電池只能放電。

過充保護解除條件（滿足其一即可）：

1，電芯兩端的電壓下降到保護IC的過充恢復電壓。

2，在電池包得輸出端加負載放電，放電到電壓小於過充保護電壓。

13.過放保護

在電池包兩端加負載放電時，電流（方向如箭頭所示）與充電是相反的，如下圖所示。

電池放電時電流方向如箭頭所示

放電時，控制IC X1同樣會時刻監測第5腳VDD和第6腳VSS之間的電壓，當這個電壓小於等於過放截止電壓且達到過放電壓的延時時間，控制IC X1會通過第1腳關閉Q1，Q1被關閉之後，放電迴路被切斷（Q1的體二極體D1是反向截止），這個時候，電池只能充電。

過放保護解除條件：拿掉負載，給電池包充電，當VM-VDD之間的電壓達到過放恢復電壓值時，控制IC X1會重新打開MOS管Q1。

14.過流保護/短路保護

過流保護指的是過放電流的保護，一般的控制IC有過流保護和短路保護兩種，控制IC時刻監測VSS-VM之間的電壓值，當電壓值達到過流保護或者短路保護的閾值且滿足延時時間，控制IC會將MOS管Q1關閉，切斷放電迴路。

電池放電時電流方向如箭頭所示

過電流保護解除的條件是：將輸出端負載拿掉，控制IC會自動將Q1重新打開。

過流保護的電壓值一般是0.1~0.2V，短路保護檢測的電壓值一般是0.9V~2V，這兩個值都與控制IC有關係，不同的IC，這兩個值不一樣。

短路保護電壓值指的是電流流經Q1和Q2上的導通壓降，即可以得出，如果MOS管的導通內阻越大，保護電流值就越小。如：內阻為20mΩ的MOS管，選用的過電流值為0.15V的控制IC，那過流保護的電流應為：0.15V/（0.02*2）=3.75A。

15.控制IC失效之後的FUSE保護

有的保護板裡面會加上保險絲，在控制IC失效之後，起到一個二級保護作用，避免更壞的結果，當然也會增加成本。