電池類型及其保護

鋰離子電池有多種分類


，按照形狀可分為：圓柱形和方形；按照電解液狀態又可分為：鋰離子和鋰聚合物電池

，目前，移動電源所用電池芯大多為圓柱形的18650 cell（直徑18mm, 長度65mm）和方形的鋰聚合物電池芯。下麵從電池結構上來分析其安全性。

1. 圓柱形鋰離子電池（18650）

電池芯內部有PPTC（可恢複保險器件）用於過溫度及過電流保護。當電池芯溫度過高或電流過大時

，PPTC 會變成高阻狀態
，從而阻斷電池芯充放電電流，避免電池起火爆炸。

  2. 方形鋰電池

MHP-TA 及 PPTC 緊貼電池芯的設計可以使 MHP-TA 和 PPTC 更好的感測電池溫度，當電池溫度異常升高時可以呈現高阻，阻礙電池的充放電電流，確保電池的安全使用。

 
保護電路可分為兩部分：主動組件保護（保護 IC 和 MOSFET），又稱為一級保護
，被動組件保護（MHP，PTC，Fuse），又稱為二級保護。一級保護電路主要是針對電池的過充、過放、過載及短路進行 保護，采用IC 檢測電池電壓及充放電電流去控製 MOSFET 導通或關斷從而保證鋰電池工作在安全狀態。

幾種不同的電池保護方案

1.（Safety IC + MOSFET）+ Fuse

這種放案裏的 Fuse 有三種：熱保險絲， 普通電流保險絲，慢斷型電流保險絲。

熱保險絲可以較好的保護電池芯避免因發熱而產生的起火爆炸，而且成本較低。但是，由於電流大小、環境溫度、電路板溫度及電池芯溫度都容易引起熱保險絲的誤動作
，其不可恢複特性使得這種方案的應用有一定的局限性。

普(pu)通(tong)電(dian)流(liu)保(bao)險(xian)絲(si)成(cheng)本(ben)低(di)，對(dui)於(yu)電(dian)池(chi)的(de)過(guo)充(chong)電(dian)保(bao)護(hu)效(xiao)果(guo)不(bu)佳(jia)

，因(yin)為(wei)其(qi)不(bu)能(neng)感(gan)測(ce)電(dian)池(chi)芯(xin)的(de)溫(wen)度(du)。電(dian)池(chi)短(duan)路(lu)容(rong)易(yi)燒(shao)斷(duan)保(bao)險(xian)絲(si)
，不(bu)可(ke)恢(hui)複(fu)，電(dian)池(chi)報(bao)廢(fei)，因(yin)此(ci)，這(zhe)種(zhong)保(bao)護(hu)方(fang)案(an)主(zhu)要(yao)應(ying)用(yong)於(yu)低(di)端(duan)的(de)鋰(li)電(dian)池(chi)。

慢 斷型電流保險絲的動作時間長於 Safety IC 的過電流保護動作時間，這就保證了 Safety IC 作zuo為wei主zhu動dong組zu件jian的de第di一yi級ji保bao護hu作zuo用yong，不bu會hui觸chu發fa作zuo為wei二er級ji保bao護hu的de保bao險xian絲si，電dian池chi處chu於yu安an全quan狀zhuang態tai。這zhe種zhong方fang案an對dui於yu電dian池chi芯xin的de過guo充chong電dian保bao護hu效xiao果guo不bu佳jia，但dan是shi在zai電dian池chi芯xin安an全quan的de前qian提ti下xia
， 此種方案可以滿足 LPS 的要求。

2.（Safety IC + Mosfet）+ PTC/MHP

鋰電池起火爆炸的可能原因：

A. 由於電路參數設計不當或組件故障導致保護電路實效。

B. 鋰電池芯本身不合格
，即使正常充電也有可能起火爆炸。

基 於(yu)以(yi)上(shang)原(yuan)因(yin)
，國(guo)際(ji)上(shang)針(zhen)對(dui)鋰(li)電(dian)池(chi)的(de)安(an)規(gui)標(biao)準(zhun)明(ming)確(que)要(yao)求(qiu)鋰(li)電(dian)池(chi)在(zai)一(yi)級(ji)保(bao)護(hu)失(shi)效(xiao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)可(ke)以(yi)安(an)全(quan)充(chong)放(fang)電(dian)。因(yin)此(ci)，為(wei)了(le)讓(rang)鋰(li)電(dian)池(chi)的(de)應(ying)用(yong)更(geng)加(jia)安(an)全(quan)
，在(zai)一(yi)級(ji)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu) （IC/MOSFET）的基礎上
，又增加了一級被動組件保護，使用可恢複保險器件（PTC 或 MHP）去檢測電池芯的溫度，當溫度異常升高時
，PTC 或 MHP 立刻呈現高阻狀態，阻礙電池的充放電
，從而防止鋰電池的起火爆炸，保護原理如下圖。由圖可知，當電池溫度升高時
，PTC 動作

，充電回路高阻
，電流接近零，電池溫度迅速下降。

下圖為模擬 6 串電池的過充電測試，目的是探測電池不同位置的溫度變化。

 
下圖為另一個電池溫度的試驗

 
上麵的試驗結果都表明
，電池的電極部位是溫度最高的，因此，PTC/ MHP 連接電池電極可以有效地防止電池的起火爆炸，這種方案是目前最為有效的，也是被絕大多數電池廠家所采用的。

3. 雙（Safety IC + MOSFET）

 
采cai用yong雙shuang重zhong主zhu動dong組zu件jian保bao護hu可ke以yi提ti供gong保bao護hu電dian路lu的de可ke靠kao性xing，降jiang低di保bao護hu組zu件jian的de失shi效xiao概gai率lv，同tong時shi，可ke以yi滿man足zu安an規gui的de要yao求qiu。但dan是shi，對dui於yu電dian池chi型xing的de保bao護hu並bing不bu是shi非fei常chang完wan善shan的de。
下圖是導致電池起火的一些原因。

 
不論何種原因，鋰電池起火爆炸前都表現為電池溫度急劇升高，如果沒有被動組件 PTC / MHP 感測電池溫度，即使雙重保護也不能防止電池的起火爆炸。

雙重保護電路大大降低了鋰電池芯的過充電
、短路及反向充電的概率
，但是，對於本身就存在問題的電池芯卻無能為力，而據統計

，大約85% 以上的電池起火爆炸都是因為電池芯本身的問題，所以，單從保護電路防止電池起火作用有限。

總結

隨著鋰電池芯能量密度不斷提高，安全性會更加受到重視
，基於上述幾種鋰電池保護方案的分析比較，(Safety IC + MOSFET) + PTC/MHP 保護方案更能有效地防止鋰電池在使用過程中發生起火爆炸，目前，這種方案是應用最為廣泛的

，性價比也是最高的。

本文是高級應用工程師 何一兵先生 發表在電路保護博客

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