鋰電池必須考慮充電、放電時(shí)的安全性,以防止特性劣化。但鋰離子電池能量密度高,難以確保電池的安全性,在過(guò)度充電狀態(tài)下,電池溫度上升后能量將過(guò)剩,于是電解液分解而產(chǎn)生氣體,容易使內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險(xiǎn);反之,在過(guò)度放電狀態(tài)下,電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化,降低可充電次數(shù)。因此鋰電池的過(guò)充、過(guò)度放電、過(guò)電流及短路保護(hù)很重要,所以通常都會(huì)在電池包內(nèi)設(shè)計(jì)保護(hù)線(xiàn)路,用以保護(hù)鋰電池。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 電路概述

鋰離子電池保護(hù)電路包括過(guò)度充電保護(hù)、過(guò)電流/ 短路保護(hù)和過(guò)放電保護(hù)等,該電路就是要確保這樣的過(guò)度充電及放電狀態(tài)時(shí)的安全,并防止特性劣化。它主要由集成保護(hù)電路IC、貼片電阻、貼片電容、場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET) 、有的還有熱敏電阻(NTC) 、識(shí)別電阻( ID) 、保險(xiǎn)絲( FUSE) 等構(gòu)成。

其中集成保護(hù)電路IC 用來(lái)檢測(cè)保護(hù)電路當(dāng)前的電壓、電流、時(shí)間等參數(shù)以此來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài);場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET) 則根據(jù)保護(hù)IC 來(lái)控制回路中是否有需開(kāi)或關(guān); 貼片電阻用作限流; 貼片電容作用為濾波、調(diào)節(jié)延遲時(shí)間;熱敏電阻用來(lái)檢測(cè)電池塊內(nèi)的環(huán)境溫度; 保險(xiǎn)絲防止流過(guò)電池的電流過(guò)大,切斷電流回路。

1.2 電路原理及參數(shù)確定

1.2.1 過(guò)度充電保護(hù)

當(dāng)充電器對(duì)鋰電池過(guò)度充電時(shí),鋰電池會(huì)因溫度上升而導(dǎo)致內(nèi)壓上升,需終止當(dāng)前充電的狀態(tài)。此時(shí),集成保護(hù)電路IC 需檢測(cè)電池電壓,當(dāng)?shù)竭_(dá)4.25V 時(shí)(假設(shè)電池過(guò)充電壓臨界點(diǎn)為4.25 V) 即激活過(guò)度充電保護(hù),將功率MOS 由開(kāi)轉(zhuǎn)為切斷,進(jìn)而截止充電。另外,為防止由于噪音所產(chǎn)生的過(guò)度充電而誤判為過(guò)充保護(hù),因此需要設(shè)定延遲時(shí)間,并且延遲時(shí)間不能短于噪音的持續(xù)時(shí)間以免誤判。過(guò)充電保護(hù)延時(shí)時(shí)間tvdet1計(jì)算公式為:

t vdet1 = { C3 ×( Vdd - 0. 7) }/ (0. 48 ×10 - 6 ) (1)

式中: Vdd為保護(hù)N1 的過(guò)充電檢測(cè)電壓值。

簡(jiǎn)便計(jì)算延時(shí)時(shí)間: t = C3/ 0. 01 ×77 (ms) (2)

如若C3 容值為0.22 F ,則延時(shí)值為:0. 22 /0. 01 ×77 = 1694 (ms)

1.2.2 過(guò)度放電保護(hù)

在過(guò)度放電的情況下,電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化,并造成充電次數(shù)的降低。過(guò)度放電保護(hù)IC 原理:為了防止鋰電池的過(guò)度放電狀態(tài),假設(shè)鋰電池接上負(fù)載,當(dāng)鋰電池電壓低于其過(guò)度放電電壓檢測(cè)點(diǎn)(假定為2.3 V) 時(shí)將激活過(guò)度放電保護(hù),使功率MOS FET 由開(kāi)轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹?以避免電池過(guò)度放電現(xiàn)象產(chǎn)生,并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式,此時(shí)的電流僅0.1μA 。當(dāng)鋰電池接上充電器,且此時(shí)鋰電池電壓高于過(guò)度放電電壓時(shí),過(guò)度放電保護(hù)功能方可解除。另外,考慮到脈沖放電的情況,過(guò)放電檢測(cè)電路設(shè)有延遲時(shí)間以避免產(chǎn)生誤動(dòng)作。

1.2.3 過(guò)電流及短路電流保護(hù)

因?yàn)椴幻髟?放電時(shí)或正負(fù)極遭金屬物誤觸) 造成過(guò)電流或短路,為確保安全,必須使其立即停止放電。過(guò)電流保護(hù)IC 原理為,當(dāng)放電電流過(guò)大或短路情況產(chǎn)生時(shí),保護(hù)IC 將激活過(guò)(短路) 電流保護(hù),此時(shí)過(guò)電流的檢測(cè)是將功率MOSFET 的Rds (on) 當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測(cè)其電壓的下降情形,如果比所定的過(guò)電流檢測(cè)電壓還高則停止放電,運(yùn)算公式為:

V_ = I ×Rds ( on) ×2 ( V_為過(guò)電流檢測(cè)電壓, I 為放電電流) (3)假設(shè)V_ = 0. 2V , Rds (on) = 25 mΩ,則保護(hù)電流的大小為I = 4 A 。

同樣,過(guò)電流檢測(cè)也必須設(shè)有延遲時(shí)間以防有突發(fā)電流流入時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作。通常在過(guò)電流產(chǎn)生后,若能去除過(guò)電流因素(例如馬上與負(fù)載脫離) ,將會(huì)恢復(fù)其正常狀態(tài),可以再進(jìn)行正常的充放電動(dòng)作。

在進(jìn)行保護(hù)電路設(shè)計(jì)時(shí)使電池充電到飽滿(mǎn)的狀態(tài)是使用者很關(guān)心的問(wèn)題,同時(shí)兼顧到安全性問(wèn)題,因此需要在達(dá)到容許電壓時(shí)截止充電狀態(tài)。要同時(shí)符合這兩個(gè)條件,必須有高精密度的檢測(cè)器,目前檢測(cè)器的精密度為25 mV 。另外還必須考慮到集成保護(hù)電路IC 功耗、耐高電壓?jiǎn)栴}。此外為了使功率MOSFET的Rds ( on) 在充電電流與放電電流時(shí)有效應(yīng)用, 需使該阻抗值盡量低, 目前該阻抗約為20～30 mΩ,這樣過(guò)電流檢測(cè)電壓就可較低。

MIT近期開(kāi)發(fā)了一款全碳太陽(yáng)能電池，可以吸收紅外光熱輻射。他們相信全碳太陽(yáng)能電池可以引領(lǐng)組合太陽(yáng)能電池的發(fā)展，即使用傳統(tǒng)的硅基電池和新的全碳電池來(lái)生產(chǎn)更多的能量。

像近期的能源領(lǐng)域許多突破性進(jìn)展一樣，這次的關(guān)鍵點(diǎn)在碳納米管。該研究小組已使用納米管和碳的同素異形體C60來(lái)制造新的電池。

為了使這種電池效率盡可能高，納米管必須是非常純的標(biāo)準(zhǔn)的類(lèi)型：?jiǎn)螌?。在吸收光照的時(shí)候，傳統(tǒng)光伏電池僅僅使用一層聚合物來(lái)使納米管保持原位，并且收集松散的轟擊電子。但是新工藝會(huì)增加一層額外的鍍膜來(lái)避免因接觸空氣而退化，這就使得新的全碳光伏電池盡可能的穩(wěn)定。

由于該材料對(duì)可見(jiàn)光是透明的，所以此種碳電池可以放在傳統(tǒng)光伏電池上面來(lái)吸收紅外光，這種串聯(lián)電池可以利用陽(yáng)光的大部分能量，但是這種技術(shù)還遠(yuǎn)未準(zhǔn)備好。該研究小組稱(chēng)，目前該電池模型的能量轉(zhuǎn)換效率僅為0.1%。