保持安全：锂离子电池

随着锂离子电池在我们所有的电子产品中变得越来越普遍，有很多电路可以防止它们爆炸。本文将讨论现有的众多保护架构及其优缺点。

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尽管锂离子化学与其他电池化学相比具有许多优势，但最大的缺点是其安全性能。如果使用不当，锂离子电池会产生热事件。坚固的电子设备和保险丝需要纳入电池设计中，以确保其在安全运行条件下运行。

锂离子电池中常用的典型电池管理系统 (BMS)。电池管理系统最重要的元素是确保锂离子电池的正确使用。这包括正在监视以下事项以确保其处于正常运行条件内：

· 放电电流：这是离开电池为负载供电的电流。所有电池都额定为它可以处理的特定放电电流。有些电池的额定温度可高达 100C(额定容量的 100 倍)，而有些电池只能处理低于 1C 的温度。

· 充电电流：这是进入电池为电池充电的电流。所有电池都额定为它可以处理的特定充电电流。一些电池具有高额定充电电流能力以实现快速充电。

· 电压：这是单个电池上的电压。锂离子电池需要保持在一定范围内的电压。超出该范围，尤其是在高端范围内可能会导致热问题。过电压是您可以对电池做的最危险的事情之一。

· 温度：这是电池上的温度。细胞需要在给定的范围内操作。通常，放电时应在-20C至60C之间，充电时应在0C至40C之间。

如果电子设备检测到上述任何一项超出了电池规定的范围，那么它将关闭电池。有几种方法可以关闭电池。大多数 BMS 系统使用这些方式的组合。

1. PTC—— 正温度系数热敏电阻与电池串联。当电流增加时，PTC 的电阻会随着温度的升高而增加，从而产生开路并将电池与应用程序断开连接。这是为电池添加保护的一种非常常见的方法。一些电池将内置 PTC，提供额外的保护。

2.电流保险丝 ——另一种电流保护方法是将电流保险丝与电池串联。一旦电流超过保险丝的额定值，保险丝就会断开。大多数系统将此作为次要的最后手段选项，因为它将永久完全关闭电池。

3.温度保险丝 ——当温度超过其额定值时，该保险丝将打开。就像电流保险丝一样，这是永久关闭的。

4. MOSFET—— 关闭电池的最常见方法之一是使用 MOSFET 。MOSFET 通常连接到保护 IC。保护 IC 测量电池上的电压、流入和流出电池的电流，在某些情况下还测量电池上的温度。如果 IC 检测到其中任何一个超出范围，它们将向 MOSFET 发送信号以将其关闭。由于电流可以是双向的(充电电流和放电电流)，因此使用背靠背 MOSFET。

如果在电池组 + 侧使用 N 沟道 MOSFET，则 IC 需要有一个电荷泵，可以提供高于电池电压的栅极电压。大多数简单的保护 IC 都没有电荷泵，因此有 2 个选项：

· 使用电池组侧的 N 沟道 MOSFET 断开电池。这里的缺点是需要了解和减轻电池接地断开时对系统的影响。

· 使用电池组 + 侧的 P 沟道 MOSFET 断开电池。P 沟道 MOSFET 不如 N 沟道常见，而且选择可能不是很好。它们通常比 N 通道更昂贵。

有几家制造商提供保护 IC，例如德州仪器 (TI)、精工和三美。

5.化学保险丝 ——化学保险丝也用于电池组中，用于二次过电压保护。化学保险丝 的工作原理类似于电流保险丝，但它也具有使用内置加热器自行熔断的能力。端子 T3 接地，从而激活加热器并熔断保险丝。在电池中使用化学保险丝的最常见方法是用于二次过电压保护。端子 T3 连接到次级过压保护 IC，当它检测到一个或多个电池高于特定电压范围时，它就会启动。要启动二级保护，这必须意味着一级保护电路不工作并且电池组出现严重问题。此时永久禁用电池组是明智之举。许多需要通过 UL2054 测试的电池组都有一个化学保险丝，用于二次过压保护。

6.继电器/接触器 ——另一种选择是使用继电器或接触器来切换电池负载。对于更大的电池组(叉车电池、车辆电池等)来说，这是一种非常流行的方法。主要优点是继电器/接触器可以承载大量电流。它们也是独立控制的(与 MOSFET 不同)，因此低电压信号可以切换输入/输出大电压输出。

尽管锂离子电池经常成为新闻，但其电子设备中有许多方法可以保证其安全。强烈建议在您的电池组设计中始终具有冗余保护功能。至少有两种独立的过流和过压关断方式，以减轻主保护电路的任何故障或损坏。