鋰離子電池保護電路包括過度充電保護、過電流/短路保護和過放電保護，要求過充電保護高精度、保護IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。本文詳細(xì)介紹了這三種保護電路的原理、新功能和特性要求。

近年來，PDA、數(shù)字相機、手機、便攜式音頻設(shè)備和藍牙設(shè)備等越來越多的產(chǎn)品采用鋰電池作為主要電源。鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點，與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣，鋰電池必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。針對鋰電池的過充、過度放電、過電流及短路保護很重要，所以通常都會在電池包內(nèi)設(shè)計保護線路用以保護鋰電池。

由于鋰離子電池能量密度高，因此難以確保電池的安全性。在過度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，因內(nèi)壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險；反之，在過度放電狀態(tài)下，電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化，從而降低可充電次數(shù)。鋰離子電池的保護電路就是要確保這樣的過度充電及放電狀態(tài)時的安全性，并防止特性劣化。鋰離子電池的保護電路是由保護IC及兩顆功率 MOSFET所構(gòu)成，其中保護IC監(jiān)視電池電壓，當(dāng)有過度充電及放電狀態(tài)時切換到以外掛的功率MOSFET來保護電池，保護IC的功能有過度充電保護、過度放電保護和過電流/短路保護。

過度充電保護

過度充電保護IC的原理為：當(dāng)外部充電器對鋰電池充電時，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升，需終止充電狀態(tài)。此時，保護IC需檢測電池電壓，當(dāng)?shù)竭_4.25V時（假設(shè)電池過充點為4.25V）即激活過度充電保護，將功率MOS由開轉(zhuǎn)為關(guān)斷，進而截止充電。另外， 還必須注意因噪聲所產(chǎn)生的過度充電檢出誤動作，以免判定為過充保護。因此，需要設(shè)定延遲時間，并且延遲時間不能短于噪聲的持續(xù)時間。

過度放電保護

在過度放電的情況下，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。采用鋰電池保護IC可以避免過度放電現(xiàn)象發(fā)生，實現(xiàn)電池保護功能。

過度放電保護IC原理：為了防止鋰電池的過度放電狀態(tài)，假設(shè)鋰電池接上負(fù)載，當(dāng)鋰電池電壓低于其過度放電電壓檢測點（假定為2.3V）時將激活過度放電保護，使功率MOSFET由開轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)斷而截止放電，以避免電池過度放電現(xiàn)象發(fā)生，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機模式，此時的電流僅 0.1uA。

當(dāng)鋰電池接上充電器，且此時鋰電池電壓高于過度放電電壓時，過度放電保護功能方可解除。另外，考慮到脈沖放電的情況，過放電檢測電路設(shè)有延遲時間以避免發(fā)生誤動作。

過電流及短路電流

因為不明原因（放電時或正負(fù)極遭金屬物誤觸）造成過電流或短路，為確保安全，必須使其立即停止放電。

過電流保護IC原理為，當(dāng)放電電流過大或短路情況發(fā)生時，保護IC將激活過（短路）電流保護，此時過電流的檢測是將功率MOSFET的 Rds（on）當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測其電壓的下降情形，如果比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電，計算公式為： V-=I×Rds（on）×2（V-為過電流檢測電壓，I為放電電流）。假設(shè)V-=0.2V,Rds（on）=25mΩ，則保護電流的大小為I=4A。

同樣地，過電流檢測也必須設(shè)有延遲時間以防有突發(fā)電流流入時發(fā)生誤動作。通常在過電流發(fā)生后，若能去除過電流因素（例如馬上與負(fù)載脫離），將會恢復(fù)其正常狀態(tài)，可以再進行正常的充放電動作。

鋰電池保護IC的新功能

除了上述的鋰電池保護IC功能之外，下面這些新的功能同樣值得關(guān)注：

1. 充電時的過電流保護：當(dāng)連接充電器進行充電時突然發(fā)生過電流（如充電器損壞），電路立即進行過電流檢測，此時Cout將由高轉(zhuǎn)為低，功率MOSFET由開轉(zhuǎn)為關(guān)斷，實現(xiàn)保護功能。V-（Vdet4過電流檢測電壓，Vdet4為-0.1V）=I（充電電流）×Rds（on）×2

2. 過度充電時的鎖定模式：通常保護IC在過度充電保護時將經(jīng)過一段延遲時間，然后就會將功率MOSFET關(guān)斷以達到保護的目的，當(dāng)鋰電池電壓一直下降到解除點（過度充電滯后電壓）時就會恢復(fù)，此時又會繼續(xù)充電-保護-放電-充電-放電。這種狀態(tài)的安全性問題將無法獲得有效解決，鋰電池將一直重復(fù)著充電-放電-充電-放電的動作，功率MOSFET的柵極將反復(fù)地處于高低電壓交替狀態(tài)，這樣可能會使MOSFET變熱，還會降低電池壽命，因此鎖定模式很重要。假如鋰電保護電路在檢測到過度充電保護時有鎖定模式，MOSFET將不會變熱，且安全性相對提高很多。

在過度充電保護之后，只要充電器連接在電池包上，此時將進入過充鎖定模式。此時，即使鋰電池電壓下降也不會發(fā)生再充電的情形，將充電器移除并連接負(fù)載即可恢復(fù)充放電的狀態(tài)。

3. 減小保護電路組件尺寸

將過度充電和短路保護用的延遲電容集成到到保護IC里面，以減小保護電路組件尺寸

對保護IC性能的要求

1. 過度充電保護的高精度化

當(dāng)鋰離子電池有過度充電狀態(tài)時，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升，須截止充電狀態(tài)。保護IC將檢測電池電壓，當(dāng)檢測到過度充電時，則過度充電檢測的功率MOSFET使之關(guān)斷而截止充電。此時應(yīng)注意的是過度充電的檢測電壓的高精度化，在電池充電時，使電池充電到飽滿的狀態(tài)是使用者很關(guān)心的問題， 同時兼顧到安全性問題，因此需要在達到容許電壓時截止充電狀態(tài)。要同時符合這兩個條件，必須有高精度的檢測器，目前檢測器的精度為25mV,該精度將有待于進一步提高。

2. 降低保護IC的耗電

隨著使用時間的增加，已充過電的鋰離子電池電壓會逐漸降低，最后低到規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)值以下，此時就需要再度充電。若未充電而繼續(xù)使用，可能造成由于過度放電而使電池不能繼續(xù)使用。為防止過度放電，保護IC必須檢測電池電壓，一旦達到過度放電檢測電壓以下，就得使放電一方的功率MOSFET 關(guān)斷而截止放電。但此時電池本身仍有自然放電及保護IC的消耗電流存在，因此需要使保護IC消耗的電流降到最低程度。

3. 過電流/短路保護需有低檢測電壓及高精度的要求因不明原因?qū)е露搪窌r必須立即停止放電。過電流的檢測是以功率MOSFET的Rds（on）為感應(yīng)阻抗，以監(jiān)視其電壓的下降，此時的電壓若比過電流檢測電壓還高時即停止放電。為了使功率MOSFET的Rds（on）在充電電流與放電電流時有效應(yīng)用，需使該阻抗值盡量低，目前該阻抗約為 20mΩ~30mΩ，這樣過電流檢測電壓就可較低。

4. 耐高電壓電池包與充電器連接時瞬間會有高壓產(chǎn)生，因此保護IC應(yīng)滿足耐高壓的要求。

5. 低電池功耗在保護狀態(tài)時，其靜態(tài)耗電流必須要小0.1uA。

6. 零伏可充電有些電池在存放的過程中可能因為放太久或不正常的原因?qū)е码妷旱偷?V,故保護IC需要在0V時也可以實現(xiàn)充電。

保護IC發(fā)展展望

如前所述，未來保護IC將進一步提高檢測電壓的精度、降低保護IC的耗電流和提高誤動作防止功能等，同時充電器連接端子的高耐壓也是研發(fā)的重點。

在封裝方面，目前已由SOT23-6逐漸轉(zhuǎn)向SON6封裝，將來還有CSP封裝，甚至出現(xiàn)COB產(chǎn)品用以滿足現(xiàn)在所強調(diào)的輕薄短小要求。在功能方面，保護IC不需要集成所有的功能，可根據(jù)不同的鋰電池材料開發(fā)出單一保護IC,如只有過充保護或過放保護功能，這樣可以大大減少成本及尺寸。

當(dāng)然，功能組件單晶體化是不變的目標(biāo)，如目前手機制造商都朝向?qū)⒈ＷoIC、充電電路以及電源管理IC等外圍電路與邏輯IC構(gòu)成雙芯片的芯片組， 但目前要使功率MOSFET的開路阻抗降低，難以與其它IC集成，即使以特殊技術(shù)制成單芯片，恐怕成本將會過高。因此，保護IC的單晶體化將需一段時間來解決。隨著移動業(yè)務(wù)的普及率越來越高，中國已達到平均每100人就有64.4部手機，像上海、北京等沿海發(fā)達城市平均每人就擁有1.2部手機。雖然手機已成為大多數(shù)人的必需品，但是你是否真正懂得保養(yǎng)自己的手機電池？做到以下十點會延長你手機電池的使用壽命。

1、如果新買的手機電池是鋰電池，那么前3－5次充電一般稱為調(diào)整期，應(yīng)充14小時以上，以保證充分激活鋰離子的活性。鋰離子電池沒有記憶效應(yīng)，但有很強的惰性，應(yīng)給予充分激活后，才能保證以后的使用能達到最佳效能。

2、電池出廠前，廠家都進行了激活處理，并進行了預(yù)充電，因此買來的新電池都有余電。一般廠家會按照調(diào)整期時間給電池充電，但待機仍嚴(yán)重不足，假設(shè)購買的電池確為正品，這種情況下應(yīng)延長調(diào)整期再進行3－5次完全充放電。

3、快速充電器充電，當(dāng)指示信號燈轉(zhuǎn)變時，一般只表示充滿了90％，不建議使用。而充電器會自動改變用慢速充電將電池充滿，最好將電池充滿后使用，否則會縮短使用時間。

4、 充電前，鋰電池不需要專門放電，放電不當(dāng)反而會損壞電池。充電時盡量以慢充充電，減少快充方式，時間不要超過24小時。電池經(jīng)過3－5次完全充放電循環(huán)后其內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)才會被全部“激活”達到最佳使用效果。

5、請使用原廠或聲譽較好的品牌的充電器，鋰電池要用鋰電池專用充電器，并遵照指示說明，否則會損壞電池，甚至發(fā)生危險。

6、鋰離子電池必須選用專用充電器，否則可能會達不到飽和狀態(tài)，影響其性能發(fā)揮。充電完畢后，應(yīng)避免放置在充電器上超過12小時以上，長期不用時應(yīng)使電池和手機分離。

7、有很多用戶常常在充電時還把手機開著，其實這樣會傷害手機壽命。因為在充電的過程中，手機的電路板會發(fā)熱，此時如果有外來電話，可能會產(chǎn)生瞬間回流電流，對手機內(nèi)部的零件造成損壞。

8、電池的壽命取決于反復(fù)充放電次數(shù)，所以應(yīng)盡量避免電池有余電時充電，這樣會縮短電池的壽命。若手機關(guān)機時間超過7天時，應(yīng)先將手機電池完全放電，充足電后再使用。

9、手機電池都存在自放電，不用時鎳氫電池每天會按剩余容量的1％左右放電，鋰電池每天會按0.2％－0.3％放電。在給電池充電時，盡量使用專用插座，不要將充電器與電視機等家電共用插座。

10、不要將電池暴露在高溫或嚴(yán)寒下，像七八月三伏天時，不要把手機放在車?yán)锸芰胰盏钠貢?；或拿到空調(diào)房中，放在冷氣直吹的地方。當(dāng)充電時，電池有一點熱是正常的，但不能讓它直接在高溫的環(huán)境里。為了避免這種情況的發(fā)生，最好是在室溫下進行充電，并且不要在手機上覆蓋任何東西。目前國內(nèi)鋰錳電池大部分的生產(chǎn)設(shè)備還停留在手工或半機械化程度，對于扣式電池來說，這樣的生產(chǎn)效率十分低下，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鋰錳扣式電池自動組裝生產(chǎn)線是非常必要的，也是我國工控自動化的一大進步。

1  鋰錳扣式電池生產(chǎn)線的組成及其功能

本鋰錳扣式電池生產(chǎn)線是用于組裝CR2032電池的，根據(jù)鋰錳扣式電池的生產(chǎn)工藝，其主要任務(wù)是：在帶有集流網(wǎng)、負(fù)極片的負(fù)極殼體內(nèi)，依次加入隔膜和飽浸電解液的正極片，并補充正極片中揮發(fā)的電解液，并在保證電解液完全滲透的前提下，加蓋正極殼體并封口。為此生產(chǎn)線主要由剪切隔膜紙工序、注電解液及上正極片工序、正極殼體裝配工序以及封口工序等4個工序組成。

2  PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計由于PLC具有控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等優(yōu)點，能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，所以采用PLC作為生產(chǎn)線的主控制系統(tǒng)，能滿足生產(chǎn)的需要。根據(jù)鋰錳扣式電池生產(chǎn)線的具體情況，選用了日本Omron公司的可編程控制器和擴展模塊作為生產(chǎn)線的核心控制部分；采用PWS系列觸摸屏（臺達電子），觸摸屏和PLC之間通過RS2232C進行通訊。觸摸屏用于按鍵輸入、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控畫面顯示以及故障原因顯示等功能。

在PLC控制系統(tǒng)中，主要的檢測元件有對射光電開關(guān)、漫反射光電開關(guān)、接近開關(guān)、磁性開關(guān)、壓力傳感器、行程開關(guān)等；執(zhí)行部件主要有電機、氣缸、振動料斗、海霸泵、沖床、聲光報警器以及狀態(tài)顯示燈等。在這個系統(tǒng)中，關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)是料斗的控制，它是影響電池表面質(zhì)量的一個關(guān)鍵因素；各道工序之間的協(xié)調(diào)一致，也是保證生產(chǎn)線正常工作的關(guān)鍵。

2.1振動料斗的控制：負(fù)極殼、正極片和正極蓋均采用振動料斗進行自動上料。若正極片和正極蓋在料斗中反復(fù)運動，則會損壞正極片和將正極蓋劃傷，因此在振動料斗的料道上增加了料滿檢測傳感器，一旦料滿則停止振動料斗；當(dāng)料道上的料不滿時，振動料斗開始振動。

2.2 各道工序之間的協(xié)調(diào)：由于電池組件的尺寸非常小，給生產(chǎn)線的上料和輸送帶來了很大困難，再加上某些工序可能會產(chǎn)生次品，中間還會有次品剔除的情況，電池組裝生產(chǎn)線的4個工序之間很難做到完全同步。在生產(chǎn)線的輸送線上安裝了檢測傳感器，當(dāng)輸送線上的料較少（少于傳感器的安裝位置）時，下一個工序的轉(zhuǎn)盤就自動停止工作；當(dāng)前面的料輸送過來，超過了傳感器的安裝位置時，轉(zhuǎn)盤自動開始轉(zhuǎn)動，恢復(fù)工作。這樣就可以保證某道工序的連續(xù)運行。在輸送線上還裝有堵料檢測傳感器，一旦發(fā)生堵料現(xiàn)象，將進行報警并自動停車。

3  PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

該生產(chǎn)線中執(zhí)行元件和狀態(tài)檢測元件的種類和數(shù)量較多，是一個比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，我們采用模塊化的思路，使用梯形圖來設(shè)計控制系統(tǒng)的軟件，將整個系統(tǒng)的控制程序根據(jù)所處的位置分成4個模塊，即剪切隔膜紙模塊、注電解液及上正極片模塊、正極殼體裝配模塊以及封口模塊，前3個模塊以3個轉(zhuǎn)盤為主線，協(xié)調(diào)彼此的動作，而第4個模塊以封口壓力機作為主線，來協(xié)調(diào)彼此的動作。這樣程序的條理性增強，可讀性好，修改程序方便。

在系統(tǒng)中充分利用觸摸屏的優(yōu)勢，除了完成按鍵的輸入功能以外，還可以顯示各工序和整條生產(chǎn)線的監(jiān)控畫面；若工作過程中出現(xiàn)故障，除了進行聲光報警外，還在觸摸屏上顯示故障的種類、原因以及解決辦法，方便了操作；在觸摸屏上還顯示生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量。

為了提高鋰錳扣式電池生產(chǎn)線的可靠性，保證設(shè)備和人員的安全，除了選用優(yōu)質(zhì)元件之外，還采取了許多有效保護措施，例如，為了防止由于氣壓降低或氣路出現(xiàn)故障而使轉(zhuǎn)動盤損壞氣缸，設(shè)置了壓力檢測傳感器，一旦壓力低于給定值，則自動停止轉(zhuǎn)盤并報警；為了防止封口沖床在工作時出現(xiàn)人身事故，在沖床上安裝了光電檢測傳感器，一旦人手接近沖頭，則設(shè)備自動停機并發(fā)出報警信息；為了防止由于調(diào)整失誤而損壞轉(zhuǎn)盤上的氣缸，特地增加了機動互鎖裝置，從而有效地保護機械和氣動裝置；此外控制軟件中還在多處使用了冗余控制，從而保證了設(shè)備的正常安全運行。

4  結(jié)語

為了提高系統(tǒng)的可維護性，在觸摸屏和設(shè)備上設(shè)置了許多狀態(tài)信息的指示和故障顯示以及聲光報警。在PLC系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置了故障診斷功能，當(dāng)出現(xiàn)故障時就自動停車，實現(xiàn)自我保護。為了便于用戶的操作，縮短維修時間，在PLC控制軟件中，巧妙地運用了HR型保持繼電器和計數(shù)器的保持性，使得生產(chǎn)線在任意時刻停機，在排除故障后，不必手動調(diào)整，就可繼續(xù)正常工作。經(jīng)實際使用表明：該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、使用靈活方便、便于維護等優(yōu)點，在實際生產(chǎn)使用中效果很好。