字級:
小字級
中字級
大字級

鋰電池保護機制概述

鋰離子電池(簡稱鋰電池)因能量密度高、無記憶效應且循環壽命長,許多3C產品都以鋰電池作為電源。鋰電池的缺點為不耐過放與過充,錯誤使用除了減少電池壽命,甚至會有熱失控導致爆炸燃燒的安全性疑慮,為此市面上絕大部分的鋰電池都會配備保護電路,主要目的為監測電池電壓,在發生過充電、過放電異常時,做出保護反應。

鋰離子電池發展簡史

近代廣泛使用的鋰離子電池於1976年由史丹利·懷廷漢姆 (M. Stanley Whittingham) 提出最初的概念模型,1980年約翰·班尼斯特·古德諾 (John Bannister Goodenough) 等人找到了鈷酸鋰作為新型電池的正極材料,到1985年吉野彰等人以聚乙炔作為負極材料,利用鈷酸鋰和聚乙炔,製造出了第一塊現代鋰離子電池。1991年,索尼與旭化成株式會社共同推出了第一塊商業化的鋰離子電池。

鋰離子電池特性

鋰離子電池(Li-ion battery),簡稱鋰電池,屬於二次電池,有時會與僅能放電一次的鋰電池混為一談。鋰電池標準的端電壓是3.7 V,但充飽時的端電壓可以到4.2 V。因能量密度高、無記憶效應且循環壽命長,如今許多3C產品都以鋰離子電池作為電源。

▲ 左二為18650鋰電池,右一為CR123A鋰電池

(https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%94%82%E7%A6%BB%E5%AD%90%E7%94%B5%E6%B1%A0)

鋰電池的缺點為不耐過放與過充,錯誤使用除了減少電池壽命,甚至會有熱失控導致爆炸燃燒的安全性疑慮。市面上絕大部分的鋰電池都會配備保護電路,或在電池芯結構上設計防爆機制。

鋰電池保護電路

鋰電池保護電路的主要目的為監測電池電壓,在發生過充電、過放電異常時,做出保護反應,例如在電池電壓過高時,終止電池充電,或是在電池電壓過低時,終止電池放電。

▲ 鋰電池在不同放電率下的電壓與電量關係

(https://www.richtek.com/Design%20Support/Technical%20Document/AN024?sc_lang=zh-TW)

目前鋰電池保護電路的形式有三種,分別是使用MCU控制、Gauge IC控制與直接用鋰電池保護IC控制。前二者可將電池資料數位化紀錄、電壓與電流偵測點可調,但是必須額外編寫相關程式、包裝大且成本高。相比之下,使用現成的電池保護IC設計簡單、包裝小且成本低,只是電壓與電流偵測點多已固定,且無法對電池資料進行紀錄。

市售的鋰電池大多使用保護IC形式,普遍具備過充電壓保護、過放電壓保護、過放電流保護與短路保護等。IC應用電路通常由電池組、ICFET元件電路與檢流電路構成,見圖三,IC讀取鋰電池端電壓與檢流電路訊號,辨別電池是否處在正常工作狀態,若有異常則觸發保護功能。FET元件電路平時狀態為ON,維持鋰電池組對外之迴路,當保護功能觸發時, FET元件電路狀態由ON切換為OFF,斷開迴路、終止電池充/放電。

儀科中心提供電路設計及打樣技術服務,協助廠商進行鋰電池保護IC前期測試,圖四為一個4串鋰電池組的保護電路實例,FET元件電路由二個功率電晶體組成,檢流電路的主要元件為檢流電阻。雖然有基本的鋰電池保護機制,還是要注意使用3C產品不要過度充放電喔,避免縮短電池的壽命!

▲ 鋰電池保護IC應用電路架構

▲ 鋰電池保護IC應用電路範例