鋰離子電池的運(yùn)行范圍很小，這取決于操作安全性和整體電池壽命。為了確保適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷核剑?a target="_blank">工程師可以使用半導(dǎo)體制造商的各種專用IC（包括ADI公司，Atmel公司，Maxim Integrated公司，Skyworks公司，意法半導(dǎo)體公司和德州儀器公司等）為電能采集設(shè)計(jì)構(gòu)建電壓監(jiān)控功能。

鋰離子電池通常充電至標(biāo)稱電壓4.20 V，容差約為±50 mV。根據(jù)特征充電曲線（圖1），電池通過恒定電流階段達(dá)到此設(shè)定點(diǎn)電壓，該電流快速提升電荷水平和恒定電壓階段，使電池達(dá)到其最大電荷水平。

圖1：鋰離子電池的特性恒定電流/恒定電壓充電曲線使電池達(dá)到最佳充電點(diǎn)，超過該充電點(diǎn)即可施加更高電壓導(dǎo)致細(xì)胞應(yīng)激和最終損傷（德州儀器公司提供）。

雖然施加超過4.2 V設(shè)定點(diǎn)的更高電壓可以暫時(shí)增加電池容量，但更高的電壓會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生變化。在經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間過電壓條件的電池中，鋰離子開始在陽(yáng)極上鍍覆，從而減少了游離鋰離子的數(shù)量，并導(dǎo)致電池充電容量和整個(gè)電池壽命的損失。此外，持續(xù)施加超過設(shè)定點(diǎn)的電壓水平會(huì)導(dǎo)致氧化效應(yīng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)生CO2。如果允許過壓條件持續(xù)存在，則增加的CO2壓力可能導(dǎo)致電池內(nèi)部安全膜破裂，從而導(dǎo)致災(zāi)難性的熱失控甚至燃燒。

為了防止過壓情況，工程師可以從一系列專用器件中進(jìn)行選擇，包括針對(duì)典型鋰離子電池設(shè)計(jì)的IC，電池?cái)?shù)量有限，專為大型多電池堆設(shè)計(jì)的IC，專為環(huán)境能量設(shè)計(jì)的IC - 采用高度集成的MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)，甚至是基于軟件的解決方案。

鋰離子電池保護(hù)

設(shè)計(jì)人員可以使用各種可用的鋰離子充電IC（如STMicroelectronics STBC21，Skyworks Solutions AAT3783或德州儀器BQ24314A）保護(hù)僅包含少量電池的鋰離子電池。

這些器件通常提供在發(fā)生過壓情況時(shí)觸發(fā)的信號(hào)。例如，ST STBC21具有內(nèi)置過壓保護(hù)功能，當(dāng)VBAT（存儲(chǔ)設(shè)備引腳上的電壓）超過工廠設(shè)定的4.23 V±20 mV時(shí)觸發(fā)報(bào)警。

通過Skyworks AAT3783，工程師可以使用出廠設(shè)置的過壓跳變點(diǎn)或使用連接到專用OVP引腳的外部電阻對(duì)設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行編程。當(dāng)輸入電壓超過此跳變點(diǎn)時(shí)，AAT3783關(guān)閉內(nèi)部P溝道FET，斷開輸入。

同樣，德州儀器（TI）BQ24314A監(jiān)控輸入電壓，并在過壓條件下使用內(nèi)部開關(guān)斷開。斷開快速發(fā)生：在BQ24314A中，內(nèi)部FET開關(guān)在不到一微秒的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉。在輸入電壓恢復(fù)到適當(dāng)?shù)碾娖胶?，F(xiàn)ET再次導(dǎo)通，但在延遲后允許輸入電壓穩(wěn)定。

電池組

確保適當(dāng)?shù)碾妷核綄?duì)于電動(dòng)汽車中使用的大型電池組尤其重要。 ADI公司的AD7280A等器件具有關(guān)鍵功能，包括確保大串鋰離子電池安全所需的過壓保護(hù)。對(duì)于過壓保護(hù)，ADI公司的AD7280A提供動(dòng)態(tài)報(bào)警功能，如果電池電壓超過用戶設(shè)定的上限閾值，則會(huì)觸發(fā)該功能。

通常情況下，該器件可以級(jí)聯(lián)排列，以監(jiān)控單個(gè)串中的大量單元，使用多路復(fù)用高速ADC對(duì)單個(gè)單元電壓進(jìn)行采樣。

在AD7280A中，警報(bào)信號(hào)可以類似地以菊花鏈形式連接，以警告下游MCU電池組中發(fā)生故障。 ADI公司還提供AD8280，這是一種僅用于監(jiān)控電池電壓水平的硬件解決方案。

集成解決方案

對(duì)于環(huán)境能量收集設(shè)計(jì)，Maxim Integrated MAX17710等專用器件提供完整的解決方案，集成了充電和保護(hù)鋰離子存儲(chǔ)器件所需的全部功能。對(duì)于過壓保護(hù)，器件處理高于存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)定點(diǎn)電壓的輸入源電壓，調(diào)節(jié)或分流過剩功率（圖2）。

圖2：對(duì)于高壓能源，工程師可以使用外部二極管，如Diodes，Inc。的ZLLS410TA，并依靠Maxim Integrated MAX17710 IC的內(nèi)部分流器來防止過充電（由Maxim Integrated提供）。

另一款針對(duì)環(huán)境能量收集的設(shè)備，德州儀器BQ25504還為使用鋰離子電池的超低功耗設(shè)計(jì)提供完整的充電管理解決方案。與同類產(chǎn)品中的其他器件一樣，BQ25504可根據(jù)用戶編程的過壓和欠壓水平監(jiān)控最大和最小電壓。該器件允許工程師使用外部電阻設(shè)置過壓（VBAT_OV）閾值電平，以防止鋰離子電池受到過壓狀況的影響。當(dāng)輸入電壓達(dá)到合適的電平時(shí)，器件使用與目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)相同的閾值電平，為存儲(chǔ)設(shè)備提供穩(wěn)壓輸出。

STMicroelectronics SPV1040是一款脈沖寬度調(diào)制（PWM）升壓轉(zhuǎn)換器，專為環(huán)境能量采集而設(shè)計(jì)，具有內(nèi)置最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）和監(jiān)控功能。在包括過壓情況的故障事件期間，SPV1040會(huì)停止PWM切換，以防止損壞自身或下游電路。設(shè)計(jì)人員可以將ST SPV1040作為能量采集輸入級(jí)與鋰離子電池充電器IC（例如ST L6924D）作為輸出級(jí)，以構(gòu)建完整的太陽(yáng)能電池充電器。

除了這些基于硬件的解決方案外，工程師還可以使用高度集成的MCU（如Microchip PIC16F178x MCU系列）為MCU設(shè)計(jì)構(gòu)建過壓保護(hù)。利用片上模擬比較器和ADC，設(shè)計(jì)人員可以通過編程方式監(jiān)控電池電壓，并采取必要措施恢復(fù)正常的電壓水平（圖3）。

圖3：工程師可以使用高度集成的MCU（如PIC16F178x MCU系列）中提供的片上模擬比較器，為基于MCU的能量收集增加過壓保護(hù)設(shè)計(jì)（由Microchip Technology提供）。

結(jié)論

安全和性能考慮因素推動(dòng)了鋰離子電池過壓保護(hù)的需求。當(dāng)受到過壓條件時(shí)，這些電池會(huì)失去充電能力，甚至?xí)驘崾Э睾腿紵l(fā)生災(zāi)難性故障。使用專用IC或集成MCU，工程師可以輕松構(gòu)建能量收集中的過壓保護(hù)，以最大限度地提高鋰離子存儲(chǔ)設(shè)備的容量，壽命和安全性。