深入解析锂电池保护电路工作原理

1. 锂离子电池介绍

锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

锂离子电池电压范围2.8V~4.2V，典型电压3.7V，低于2.8V或者高于4.2V，电池都会有损坏风险。

2. 1C和0.1C的概念

电池容量的单位是mAh，C指的是电池充放电的倍率，比如一个2000mAh的电池，以1C放电指的是放电电流大小为2000mA，0.1C为200mA，充电也是同样的道理。

3. 锂离子电池的优缺点

锂离子电池的主要优点：

锂离子电池电压高，能量密度高；

循环寿命长，一般可循环500，甚至达到1000次以上；

自放电小，室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右；

可快速充电，1C充电时容量可以达到标称的80%；

工作温度范围宽，一般为-25~45°C，后面有望突破-40-70°C；

没有Ni-Cd、Ni-Mh一样的记忆效应，在充电前不必将剩余电量用完；

相比较Ni-Cd、Ni-Mh来说环保无污染（不含镉，汞等重金属）；

锂离子电池的主要缺点：

成本高；

需要加保护电路板，包括过充和过放保护；

不能大电流放电，一般放电电流在0.5C以下，过大的电流导致电池内部发热；

安全性差，容易爆炸、起火。

4. 锂电池和锂离子电池的区别

锂电池和锂离子电池是两个不同的概念，主要有如下的区别：

锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂；

锂离子电池是以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子；

锂电池也称锂电池，可以连续放电，也可以间歇放电，一旦电能耗尽便不能再用，不能进行充电；

锂离子电池也称二次锂电池，可以充放电；

5. 锂离子电池充电模式

锂离子电池理想充电模式被称为CC CV模式，即恒流 恒压模式。

如下的图形中，灰色为电池电压，绿色为充电电流，红色为电池容量。

在电池电压低时，电池以固定的恒定电流进行充电，当电池电压达到4.2V时，会由恒流模式切换到恒压模式，因为电池的电压不容许超过4.2V，所以系统会逐渐减小充电电流，直到接近于0；当电池电压为4.2V，且充电电流为0，代表电池已充满电。

锂离子电池CC CV模式

为了保证电池的安全，实际的充电模式会更细化，对于不确定的电池上来就按照恒流进行充电，会给电池造成更大的损坏。

测试模式，当电池电压低于2V时，会以很小的电流，对电池进行唤醒；

涓流充电，也叫预充模式，当电池电压处于2V~3V之间时，会以恒流充电的1/10或者1/20电流大小进行预充；

恒流充电，当电池电压升至3V以上时，会以恒流模式对电池快速充电；

恒压充电，当电池电压达到4.2V时，会以恒压模式对电池进行充电；

像TI的方案，在电池电压为4.2V，充电电流较低但不为0，约为恒流充电电流的1/10时，停止充电，这时候电池电压会降低到4.16V或者4.17V；

锂离子电池充电的三个阶段

6. 为什么锂离子电池充电截止电压是4.2V

下图是电池的循环寿命和充电截止电压的关系图，在电池初的周期中，充电到略高的电压会得到更高的单周期电量，但只会存在一小段时间。当电池的充电电压比推荐的4.2V电压还要高50mV或100mV时，由于每个周期都会略微过度充电，因此电池的老化速度会大大加快。

总结一句话就是：电池的充电截止电压高于4.2V，电压越高，循环寿命越短，且电池容量下降越快。

锂离子电池循环寿命和充电截止电压的关系

7. 锂离子电池放电曲线

如下是锂离子电池在不同放电电流下的放电曲线，可以看出：放电电流越大，电池的容量下降越快，容量越低，电池的标称容量使用越不充分。

电池容量越低时，电池的内阻相应会增加较多，比较大的电流进行放电时，内阻增长的比较快。

锂离子电池不同放电电流下的放电曲线

从不同温度下的电池放电曲线可以看出：温度越低，电池容量下降越快，放电越不充分。

电池的温度在0度以下，内部活性成分很弱，内阻会相应的变大；过高的温度对电池也有损坏。

锂离子电池不同温度下的放电曲线

8. 锂离子电池循环次数

在实际中，每当累积的放电容量等于设计容量时，则记为循环。

锂离子电池循环寿命

国标规定锂离子电池的循环寿命测试条件及要求： 在25度室温条件下以1C充电150分钟，以恒流1C的放电电流放到2.75V截止为循环。当有放电时间小于36分钟时试验结束，循环次数必须大于300次。

这个定义规定了循环寿命的测试是以深充深放方式进行的；

规定了循环寿命按照这个模式执行后必须超过300次以后容量仍然有60%以上；

9. 锂离子电池工作电压范围

锂离子电池的工作电压有一个范围，不同电芯厂家制造会有所不同，但是差别不大。

锂离子电池电压范围

10.锂电池保护板组成

一般的锂电池保护板由控制IC、MOS管、电阻电容、保险丝FUSE等组成，如下图所示。

常见的锂电池保护板电路图

TH为温度检测，内部是一个10K NTC接到电池负极；ID是电池在位检测，一般是47K/10K电阻接到电阻负极，有的是0R电阻；TH和ID均是选配，并不是所有锂电池都有的。

接着根据上面这么电路，来看一下如下几种保护的工作原理吧！

11.过充保护

电池充电时，电流（方向如箭头所示）从电池包的正极流入，经过FUSE后从负极流出，下方的两个MOS管均是导通状态。

电池充电时电流方向如箭头所示

充电时，控制IC X1会时刻监测第5脚VDD和第6脚VSS之间的电压，当这个电压大于等于过充截止电压且满足过充电压的延时时间时，X1会通过控制第3脚来关闭MOS管Q2，Q2被关闭之后，充电回路被切断（Q2的体二极管D2也是反向截止的），这个时候，电池只能放电。

过充保护解除条件（满足其一即可）：

1，电芯两端的电压下降到保护IC的过充恢复电压。

2，在电池包得输出端加负载放电，放电到电压小于过充保护电压。

12.过放保护

在电池包两端加负载放电时，电流（方向如箭头所示）与充电是相反的，如下图所示。

电池放电时电流方向如箭头所示

放电时，控制IC X1同样会时刻监测第5脚VDD和第6脚VSS之间的电压，当这个电压小于等于过放截止电压且达到过放电压的延时时间，控制IC X1会通过第1脚关闭Q1，Q1被关闭之后，放电回路被切断（Q1的体二极管D1是反向截止），这个时候，电池只能充电。

过放保护解除条件：拿掉负载，给电池包充电，当VM-VDD之间的电压达到过放恢复电压值时，控制IC X1会重新打开MOS管Q1。

13.过流保护/短路保护

过流保护指的是过放电流的保护，一般的控制IC有过流保护和短路保护两种，控制IC时刻监测VSS-VM之间的电压值，当电压值达到过流保护或者短路保护的阈值且满足延时时间，控制IC会将MOS管Q1关闭，切断放电回路。

电池放电时电流方向如箭头所示

过电流保护解除的条件是：将输出端负载拿掉，控制IC会自动将Q1重新打开。

过流保护的电压值一般是0.1~0.2V，短路保护检测的电压值一般是0.9V~2V，这两个值都与控制IC有关系，不同的IC，这两个值不一样。

短路保护电压值指的是电流流经Q1和Q2上的导通压降，即可以得出，如果MOS管的导通内阻越大，保护电流值就越小。如：内阻为20mΩ的MOS管，选用的过电流值为0.15V的控制IC，那过流保护的电流应为：0.15V/（0.02*2）=3.75A。

14.控制IC失效之后的FUSE保护

有的保护板里面会加上保险丝，在控制IC失效之后，起到一个二级保护作用，避免更坏的结果，当然也会增加成本。