锂离子电池及其保护电路

在便携式电子产品的电源发展中，电池无疑是电力来源的唯一选择。而基于环保与重复使用的考虑，对二次电池的需求与日俱增。其中锂离子电池的异军突起。造成了二次电池市场秩序的重新排列。紧接而来的锂高分子电池以及锂金属电池，无非是要对便携式产品的电力效能的提高，发挥最大的努力与贡献。

二次电池的便携式产品应用范围包括业务用终端机、导航系统、随身听、数字相机、摄录放影机、数字个人助理、电动车辆、移动电话以及笔记本电脑等。其中，锂离子电池最大的应用领域为笔记本电脑与移动电话，其占有率已分别在80%与60%以上。而根据日本矢野经济研究所的预测，二次锂离子电池正以52.33%的年增长率快速地取代传统镍镉与镍氢电池的市场。
顾名思义，锂离子电池是以锂离子的储存与释放作为电能转换的介质。锂离子电池具有高能量密度、重量轻、高内阻、高电池电压、循环次数长、自放电率低、不易达成完全充电以及需保护电路等特性。而与镍镉与镍氢电池相比，如表1所示，锂离子电流较高的能量密度、较长的循环次数与较低的自放电率是脱颖而出的主要原因。

表1 小型二次电池性能比较

由于锂离子电池负极的材质为碳粉或石墨，用以储存与释放锂离子。当锂离子转变成锂金属时，众所周知，强烈的锂金属化学活性，再加上电池内部使用了可燃性的有机溶剂，容易因周围环境的变化而产生火花甚至燃烧。

而究竟在什么样的情况下，会使锂离子转换成锂金属？答案是：压力与热。说明如下：

1. 当过充电发生时，电解质会被分解，而使得电池内部的温度与压力上升。

2. 当过放电发生时，负极中电解材质-铜会熔化而造成内部短路，使温度增加。

3. 当外部电路短路或放电电流过大时，由于高内阻的特性，电池内部功率消耗增加，温度亦会上升，可能引起电解液的氧化或分解，导致电池寿命缩短。一般而言，电池的放电速率不应大于0.2℃。

除此之外，假若锂离子电池进行过度的放电，会使电池内的电解液产生变化，可循环充电的次数会因此而减少，进而影响电池的使用寿命。

因此，锂离子电池所需的基本保护措施包括过充电保护、过放电保护、过流与短路保护。典型的锂离子电池保护电路如图1所示，其基本工作原理说明如下：

1. 过充电电压保护

锂离子电池之电压上限规格可分为4.2V与4.1V。由于电池外设与电池心之间存在有压降之关系，因此保护电路所必需提供的过充电保护电压可从4.35V至4.20V，依电池的特性而定。为避免过高的电压产生，其误差范围必须小于±3mV。而同时必须配合适当的过充电延迟时间，以同时兼顾电量与过充电保护之要求。

当电池进行充电动作，至电池电压超过过充电保护电压时，保护IC会截止MOSFET M2，促使电池停止充电动作，避免电池过充电现象发生。当电池放电电压大于过充电迟滞电压时，过充电保护功能方可解除，M2导通，重新启动过充电保护功能。虽然过充电保护过程中，M2为截止状态，放电路径依然可流过M2的背接二极管，故此时电池仍可放电。

2. 过放电电压保护

一般而言，锂离子电池的安全电压下限为2.4V，其所要求的误差精准度并不如充电电压精确，但亦必须配合适当的过放电延迟时间，以同时兼顾最大使用电量与过放电保护之要求。

当电池进行放电动作，至电池电压低于过放电保护电压时，截止MOSFET M1，促使电池停止放电动作，避免电池过放电现象发生。 当电池充电电压大于过放电迟滞电压时，过放电保护功能方可解除，M1导通，重新启动过放电保护功能。而过放电保护过程中，即使M1为截止状态，充电路径依然可流过M1的背接二极管，故此时电池仍可充电。

3.过放电电流及短路保护

当放电电流过大，保护IC会把M1截止，藉以执行过放电电流保护功能。至于保护电流限定的大小，可由适当选择MOSFET的Rdson加以设定。值得注意的是，保护IC不能因负载需要短时间的大电流而误动作，因此保护IC必须提供不同的过放电电流保护延迟时间。当放电电流很大（例如电池组输出端短路时），延迟时间愈短，过放电电流保护功能会马上启动藉以保护零件不致损害；而当放电电流较小，接近保护边缘时，延迟时间会较长藉以避免过放电电流保护发生误动作。除此之外，整体锂离子电池组之保护功能尚可透过电池内部之安全阈作内压保护，外部电路之热敏电阻进行高温保护。

以上所介绍的是锂离子电池保护IC的基本工作原理，而真正在执行保护动作时，保护IC必须能达到下列的要求：

1. 最大充电电压：充电器的电压在暂态情况下，会升高至两倍以上。因此保护电路必须要能承受两倍的充电压。

2. 反向保护：包括电池的反接保护与充电器的反应。保护电路必须能对使用者的误放，提供保护动作。其中，对MOSFET的选择，尤为重要。

3. 低功率消耗：以单节电池的保护电路而言，其静态电流必须小于0.1μA。而以四节电池的保护电路而言，其静态电流则必须小于3μA。

4. 零伏充电：当电池第一次充电或电池电压在储存过程中，因自放电而使电压过低时，保护IC必须能对电池予以充电。

5. 电池电压平衡在三或四串电池组的应用中，如笔记本电脑，各个电池的电压可能会处于不平衡的状态，故必须保护IC必须能检测各电池之电压使所有电池达到平衡。

6. 电池放置顺序：在电池组装时，电池的组装顺序可能不会由第一节至最后一节依序完成，保护IC及电路不能因组装电池的错乱而失效。

总而言之，锂离子电池的应用已为大势所趋，虽然其具有能量密度高、体积小与容量大的特性，但由于在充放电的过程中，再充电的功能容易遭受破坏并且基于安全性的考量，绝对需要保护电路。而从电池内部的安全阈设计、PTC开关的使用，保护IC本身的功能强化，到保护电路上各种保险丝的运用，无非是要使锂离子电池这项新能源动力兼具效能与安全。