众所周知，锂电池在各个领域中得到广泛应用。尽管它是小巧的能量装置，但有时候它对整个系统的结果起着决定性的作用。为了确保锂电池的安全性，我们需要对其进行有效的控制。由于锂电池具有高能量密度，当处于过充状态下时，电池温度升高会导致电解液分解产生气体，内部压力升高从而可能引发自燃或破裂的风险；相反，在过放电状态下，电解液的分解会导致电池特性和耐久性的恶化，减少可充电次数并缩短电池的使用寿命。因此，在锂电池应用中，必须配备电池保护芯片，以防止电池的过充、过放和过电流。今天我们将一起来了解锂电池保护电路的工作原理。
锂离子电池简介
锂离子电池是一种二次电池（可充电电池），其工作依赖于锂离子在正极和负极之间的移动。在充放电过程中，锂离子（Li+）在两个电极间嵌入和脱嵌，充电时，锂离子从正极脱嵌，然后通过电解液嵌入负极，此时负极处于富锂状态；放电时则相反。
锂离子电池的电压范围为2.8V至4.2V，典型电压约为3.7V。低于2.8V或高于4.2V的电压都会对电池造成风险。
1C和0.1C的概念
电池容量的单位是mAh，C表示电池充放电的倍率。例如，一个2000mAh的电池以1C放电指的是放电电流大小为2000mA，而0.1C则为200mA。充电也是类似的道理。
锂离子电池的优缺点
锂离子电池具有以下主要优点：
高电压和高能量密度；
长循环寿命，一般可循环500次以上，甚至达到1000次；
自放电率较低，在室温下，充满电的锂离子电池存放一个月后的自放电率约为10%；
可以进行快速充电，以1C充电时容量可以达到标称容量的80%；
没有镍镉电池和镍氢电池的记忆效应，不需要完全放空电池再进行充电；
环保无污染，不含重金属如镉和汞。
然而，锂离子电池也存在以下主要缺点：
成本较高；
需要配备保护电路板，包括过充和过放保护功能；
不能进行大电流放电，一般放电电流在0.5C以下，过大的电流会导致电池发热；
安全性差
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概念，它们之间存在一些区别：
正负极材料：锂电池的正极材料通常是二氧化锰或亚硫酰氯，而负极材料是金属锂。而锂离子电池的正极则是含锂化合物，当电池充放电时，没有金属锂的存在，只有锂离子。
充放电方式：锂电池也被称为一次性锂电池，只能使用一次，在电能耗尽后不能通过充电来再次使用。而锂离子电池被称为二次电池，可以进行充放电循环使用。
安全性：由于锂电池中含有金属锂，其在过充或短路情况下，可能会产生严重的安全问题，如爆炸、火灾等。而锂离子电池在设计上采取了各种保护措施，例如使用非可燃电解液和保护电路，以降低潜在的风险。
应用范围：由于其高能量密度和长寿命特性，锂离子电池被广泛应用于便携式设备、电动工具、电动车辆等领域。而锂电池常见于一些低功率应用，如计算器、遥控器等。
综上所述，锂电池和锂离子电池在正负极材料、充放电方式、安全性以及应用范围等方面存在明显的区别。理解这些区别有助于我们更好地选择适合特定需求的电池类型。
锂离子电池循环次数
在实际使用中，当累积的放电容量达到设计容量时，被视为完成一次循环。
根据国际标准规定，锂离子电池的循环寿命测试条件和要求如下：在25摄氏度的室温下，以1C的充电电流充电150分钟，以恒流1C的放电电流放电至2.75V截止，这被称为一次循环。如果有任何一次放电时间小于36分钟，则试验结束，循环次数必须大于300次。
这个定义明确了循环寿命测试是以深充深放方式进行的。要求循环次数超过300次后，电池容量仍保持在60%以上。
锂离子电池工作电压范围
锂离子电池的工作电压有一定的范围，虽然不同电芯厂家的制造可能会有所差异，但整体差别并不大。
解析锂电池保护电路的工作原理
举个不太恰当的例子，将电池的充放电类比为婴儿喝母乳。
如果让婴儿一直喝奶而没有控制，那么奶水可能会喝光，类似电池的过放电。
如果从不给婴儿喂奶，奶水就会不断积聚，类似电池的过充电。
如果婴儿喝奶太急，容易呛到，类似电池的过电流保护。
科学喂养婴儿需要父母的监督，那么如何确保电池的科学充电和放电呢？
锂电池都有一个安全工作电压范围，通常被称为充电终止电压和放电终止电压。当电池的实际工作电压长时间低于放电终止电压或长时间高于充电终止电压时，电池内部将发生不可逆转的损害，严重影响电池性能，导致容量下降和内阻增加等现象，也被称为电池衰减。
因此，锂离子电池通常会配备一个小型的保护电路板（PCB），与电池封装在一起，如下图所示。这个电路板根据其组成电路的不同，一般包括过放保护、过充保护、过流保护、短路保护以及控制IC失效后的熔断保护等功能。
以下将以一个常见的电路为例，解析这几种保护功能的工作原理。
锂电池保护板的组成
在锂电池保护板中，TH代表温度检测，其内部包含一个10K NTC（负温度系数）连接到电池的负极；ID表示电池在位检测，通常使用47K/10K电阻连接到电阻的负极，有些则使用0R电阻；需要注意的是，TH和ID是选配的功能，并非所有锂电池都具备。
接下来，我们将根据上述电路来了解以下几种保护机制的工作原理！
过充保护
当电池进行充电时，电流（如箭头所示）从电池的正极流入，在经过保险丝（FUSE）后从负极流出，底部的两个MOS管均处于导通状态。
在充电过程中，控制IC X1会不断监测第5脚VDD和第6脚VSS之间的电压。当这个电压大于或等于过充截止电压，并满足过充电压的延时要求时，X1通过控制第3脚来关闭MOS管Q2。一旦关闭，充电回路就被切断（Q2的体二极管D2也将反向截断），此时电池只能进行放电。
过充保护的解除条件（满足任一条件即可）：1. 电芯两端的电压降到保护IC设定的过充恢复电压；2. 在电池包的输出端加负载进行放电，直至电压低于过充保护电压。
过放保护
在放电过程中，控制IC X1同样会持续监测第5脚VDD和第6脚VSS之间的电压。当这个电压小于或等于过放截止电压，并且达到过放电压的延时要求时，X1通过第1脚来关闭Q1。一旦关闭，放电回路就被切断（Q1的体二极管D1将反向截断），此时电池只能进行充电。
过放保护的解除条件：移除负载并给电池包充电，当VM-VDD之间的电压达到过放恢复电压时，控制IC X1会重新打开MOS管Q1。
过流保护/短路保护
过流保护指的是针对过度放电电流的保护。通常的控制IC具备过流保护和短路保护两种功能。控制IC会不断监测VSS-VM之间的电压值，当电压值达到过流保护或短路保护的阈值，并满足延时要求时，控制IC会关闭MOS管Q1，切断放电回路。
过流保护解除的条件是：移除输出端的负载，在这种情况下，控制IC会自动重新打开Q1。
过流保护的电压值通常在0.1~0.2V之间，而短路保护检测的电压值一般为0.9V~2V。这些值与所采用的控制IC相关，不同的IC会有不同的设定值。
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。
