便携式产品用锂离子电池的过流充电保护
便携式产品用锂离子电池的过流充电保护
郭佩;何鹏林;耿振峰;王晓冬
【摘 要】The development of charge over-current protection in the Li-ion battery protection circuit was analyzed.Because of the automatic step charge of the test equipment and over-voltage protection of the battery protection circuit,it was easily to make a justices to the laboratory using the traditional detection method.3 kinds of feasible test methods for charge over-current protection were presented.Large capacity cell assisted detection was used in the laboratory,the waveform could be captured by oscilloscope to analyze,the use of simulated cell was the recommended verification method.%锂离子电池保护电路中的过流充电保护功能,由于测试设备达到恒压时的工步自动跳转或者电池保护电路过压保护的干扰,实验室采用传统检测手段容易出现误判.给出了3种可行的过流充电保护功能的测试方法,实验室可使用大容量电池辅助检测,也可借助示波器抓取波形进行分析,还可使用模拟电池电路验证保护板的各项功能.
【期刊名称】《电池》
【年(卷),期】2017(047)005
【总页数】3页(P292-294)
【关键词】电池测试;过流充电保护;恒流充电;模拟电池一起跨年的浪漫句子
【作 者】郭佩;何鹏林;耿振峰;王晓冬
【作者单位】中国电子技术标准化研究院,北京100176;中国电子技术标准化研究院,北京100176;中国电子技术标准化研究院,北京100176;中国电子技术标准化研究院,北京100176
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912.9
不当的使用会影响锂离子电池的性能，甚至带来安全风险，如过压充电可能造成电池爆炸，正负极短路可能引发火灾等。为此，锂离子电池在应用中一般都配备有专门的保护电路。电池专用的保护芯片(通常称保护IC)在监测到对电池的误用时，会将回路切断，从而保护电池。对电池的充放电误用情况包括充电或放电到正常电压之外，使用过大的电流进
行充放电，甚至直接短路正负极。手机、平板电脑等产品中广泛使用的锂离子电池保护电路，通常会设计电池充电过压保护、放电欠压保护、短路保护和过流保护等，但是很长一段时间内，过流保护只考虑了放电的过电流，并未包括针对过电流充电行为的保护。
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有鉴于此，本文作者对过流充电保护功能进行分析，对实验室可能的误判进行讨论，并给出了3种可行的过流充电保护功能的测试方法。
锂离子电池充电电流过大，会对电极材料结构产生较大的影响，造成电池极化严重，甚至可能发生热失控。较大倍率充电，也会影响电池的寿命[1]。此外，大电流对于产品电路载流能力的要求较高，不利于电子产品的小型化。
在过去的应用中，相对于其他异常充放电情况，很少有针对锂离子电池的充电过流设计保护[2]。电池充电行为通常比放电行为容易控制，而且相比于其他电池保护功能，过流充电保护功能实现的成本更高，需要采集反方向电流。
随着应用的发展，锂离子电池组遭遇过大充电电流的可能性逐渐增加。例如，设计为可更换电池结构的电子产品更换了不匹配的电池，充电电路给出的充电电流可能会超出替换电
池组的接受能力；如果电子产品中的充电管理电路发生故障，也可能输出超出电池承受能力的充电电流。无线充电、快充及高倍率电池等各种技术的出现，也使得锂离子电池遭遇过大充电电流的概率增加。针对手机、平板电脑等产品电池安全的强制国标GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全要求》[3]已经明确：此类产品应当具备过流充电保护功能。目前，大部分电子产品企业已要求电池组供应商在保护电路中必须具备这项功能[4]。
对过大的充电电流施加保护，最合适的方法是在原有的电池保护IC中增加过流充电保护功能，日本MITSUMI公司生产的MM3280系列锂离子电池保护IC是典型的代表。和田玉的鉴别
通常，电子产品制造商要对采购的电池组进行验证，电池生产商也要验证保护板的功能；在进行产品认证或质量监督抽查时，实验室也要验证电池组的各项功能。对于过流充电保护功能，检测人员需要有合适的技术来验证。
2.1 标准中的验证要求
在GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全要求》中，给出了测试过
流充电保护功能的基本方法和要求，即：充电电流为1.5倍的过流充电保护电流，充电电压为充电上限电压，测试为恒流充电状态，重复进行500次测试，要求每次电池组的过流充电保护电路都应动作。
常见电子产品用锂离子电池大约有几十毫欧的内阻，电池保护板上也会有阻抗。当对电池设置了充电限制电压，充电电压与电池芯的最大压差可能无法保证回路有足够大的测试电流。用简化欧姆定律模型可计算如下:
UCell+I(RCell+RPcm)≤UUp
式(1)中：UCell指电池的开路电压，RCell和RPcm分别是电池和保护电路的近似等效阻抗，UUp为充电上限电压，I为回路上的电流，则有：
I≤(UUp-UCell)/(RCell+RPcm)
当电池的开路电压过高，或设置的充电电压上限过低，或电池的阻抗过大时，回路电流I可能无法达到触发保护板过流充电保护功能的数值，因此，实验前务必将电池进行放空电处理。
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2.2 实验室可能的误判
标准中并未对实际操作细节进行规定，本文作者发现：有些实验室使用普通的充放电测试仪或直流电源进行此项测试。这样的操作，不仅难以自动进行循环测试，而且经常会因对实验现象的理解不足、判定条件不充分，导致误判。
一般充放电测试仪针对电池组进行测试时，当电池在设定的限制电压下按恒流(CC)-恒压(CV)模式充电，如果尚未达到测试需要的电流，但电压已达到设置的充电上限电压时，充放电仪会直接进入恒压充电模式，回路不会被切断，但电流值将低于实际设置值。这种情况下，可能误以为是电路有限流保护功能，判定测试通过。实际上，该测试并未考核到保护电路能否在设定的电流条件下正确地切断电路。
根据式(2)，如果测试时提高了充电电压上限，能够得到更高的回路电流。此情况下回路会被切断，因为保护装置发生动作。然而，这种情况不足以判定保护电路具备过流充电保护功能，因为出现的保护装置动作可能是由于IC检测到电池电压过高，触发过压充电保护造成的。这个现象与过流充电保护的现象，在没有辅助设备的条件下是难以区分的。
2.3 推荐的验证方法
网上申报锂离子电池组保护电路的过流充电保护功能测试，使用普通的电池充放电仪或直流电源，难以准确测定，可能存在误判行为。为帮助实验室更好地理解标准要求及进行功能验证，本文作者提出3种可选的测试方法。
2.3.1 使用大容量电池
根据式(2)，如果其他条件不变，只将电池的负载能力增大(即换装大容量电池，测试前放空电，也就是减小Ucell和Rcell)，将增大回路允许通过的电流。如使用大容量电池连接电池保护电路，将直流电源的电压设置为电池的充电上限电压(如4.2 V)，保证不触发过压充电保护；将充电电流设置为1.5倍的过流充电保护电流。如果输出后回路被切断，则可证实保护电路的过流充电保护功能存在。
2.3.2 示波器辅助分析
根据保护IC的手册，保护电路检测到过流充电和过压充电，保护电路动作的延时是不一样的。过流充电保护的延时通常为几毫秒到几十毫秒，而过压充电是秒级的。按延时现象的不同，可判断保护电路是否有过流充电保护功能。
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以DH1720A-1型直流稳压稳流电源(北京产)作为直流电源，分别以额定容量为2 980 mAh的BT-110L型钴酸锂-石墨电池(台湾省产)的最大充电电流和1.5倍过流充电保护电流对电池组进行充电，设置充电限制电压为2倍电池标称电压7.4 V。使用示波器捕捉实验开始后电池组的输入输出端的电压波形，结果见图1。
从图1可知，两次充电时，保护电路均发生了动作。第一次排除了触发过流保护的可能性，波形为过压充电触发的保护，测得保护延时1.03 s，与过压充电保护延时时间等级吻合。第2次的保护现象与过压充电保护似乎无太大差别，而示波器测得的延时为14 ms，比过压充电保护延时要小两个数量级。实验结果表明，通过示波器和直流电源进行测试，能够准确验证过流充电保护是否存在；若直接目视观察直流电源的反映，则很容易混淆两种保护。

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