詳解鋰電池特性及充放電管理
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-07 15:29
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電池主要由電芯、控制保護電路、外殼引線等組成。主流的電芯由以下企業(yè)提供，包括三洋、松下、索尼、比克等。
PTC是positive temperature coefficient的縮寫。正溫度系數(shù)電阻，溫度越高，阻值越大，可以防止電池高溫放電和不安全的大電流的發(fā)生，即過流保護作用。
NTC是negative temperature coefficient的縮寫。負溫度系數(shù)電阻，在環(huán)境溫度升高時，其阻值降低，使用電設(shè)備或充電設(shè)備及時反應(yīng)、控制內(nèi)部中斷而停止充放電。
鋰離子電池的工作原理如圖1所示。充電時，鋰離子從正極層狀物的晶格脫出，通過電解液遷移到層狀物負極表面后嵌入到石墨材料晶格中，同時剩余電子從外電路到達負極。放電則相反，鋰離子從石墨晶格中脫出，回到正極氧化物的晶格中。由于LixCx非常活躍，可以和水發(fā)生反應(yīng)。故電解質(zhì)選用可溶于有機溶劑的鋰鹽。但使得鋰電池相比鎳鉻、鎳氫電池的內(nèi)阻要大很多。
在充電的過程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，進入電解液，在充電器附加的外電場作用下向負極移動，依次進入石墨或焦炭C組成的負極，在那兒形成LiC化合物。如果充電速度過快，會使得Li+來不及進入負極柵格，在負極附近的電解液中就會聚集Li+，這些靠近碳C負極的Li+很可能從負極俘獲一個電子成為金屬Li。持續(xù)的金屬鋰生成會在負極附近堆積、長大成樹枝狀的晶體，俗稱枝晶。隨著負極的充滿程度越高，LiC晶格留下的空格越少，從正極移動過來的Li+找到空格的機會就困難，時間就越長。如果充電速度不變的話，一樣可能在負極表面形成局部的Li+堆積。因此，在充電的后半段必須逐步縮小充電電流。枝晶的長大會刺破正負級之間的隔膜，形成短路?？梢韵胂螅撼潆姷乃俣仍娇煸轿ｋU；充電終止的電壓越高也就越危險；充電的時間越長也越危險。因此，充電控制和管理對鋰電池尤為重要。
鋰離子電池的電壓過高或者過低都會影響鋰電池的正常使用，甚至發(fā)生燃燒、爆炸等造成嚴重的后果。根據(jù)鋰電池的特性，一般將鋰離子電池電壓劃分為以下幾個區(qū)域，不同的電芯制造商雖有區(qū)別，但區(qū)別不大。高壓危險區(qū)：保護線路過充保護電壓(4.275V~4.35V)；高壓警戒區(qū)：鋰離子電池充電限制電壓4.20V；正常使用區(qū)鋰離子電池放電終止電壓(2.75V~3.00V)；低壓警戒區(qū)：保護線路過放保護電壓(2.3V~2.5V)；低壓危險區(qū)。
鋰電池的控制保護電路如圖2所示。正常充電時，P+，P-端接充電器。MOS開關(guān)T2打開，T1關(guān)閉。充電電流回路為：P+>>B+>>B->>D2>>T1>>P-。正常放電時，P+，P-端接用電設(shè)備，如手機。T1打開，T2關(guān)閉。放電回路為： B+>>P+>>P->>D1>>T2>>B-。
隨著充電的進行，電池電量及電壓不斷上升，如果不及時控制就可能進入高壓警戒區(qū)，甚至危險區(qū)。保護電路就需要準確的監(jiān)測電池的電壓，當進入警戒區(qū)時及時打開充電回路開關(guān)T1，切斷充電回路。反之，隨著放電的進行，電池電量及電壓不斷下降，如果不及時控制就可能進入低壓警戒區(qū)和危險區(qū)。保護電路就需要準確的監(jiān)測電池的電壓，當進入警戒區(qū)時及時打開充電回路開關(guān)T2，切斷放電回路。
