锂离子电池监测及系统热变化与控制设计

 

锂离子电池监控器

 

锂离子电池监控器除了保护电路（可以保护电池在充放电过程中不会过充、过放和过热）外，还可以输出电池剩余电量信号（LCD显示屏可以直观显示电池剩余电量），以便随时了解电池的剩余能量状态，以便及时对电池进行充电或更换。主要用于带有μC或μP的便携式电子产品，如手机、摄像机、照相机、医疗仪器或音视频设备等。

现以DS2760为例说明该器件的特点、内部结构和应用电路。该器件具有温度传感器、可检测双向电流的电流检测器和电池电压检测器，以及一个 12 位 ADC 将模拟转换为数字；有多个存储器可以计算剩余电池能量。集数据采集、信息计算与存储、安全防护于一体。此外，它还具有外围元器件少、电路简单、器件封装尺寸小（3.25mm2.75mm，裸片式BGA封装）等特点。

DS2760内部有一个25mΩ的检测电阻，可以检测双向（充放电）电流（但自身阻值极小，损耗极小）；电流分辨率0.625mA，动态范围1.8A，有电流累加计算；电压测量分辨率为48mV；测温分辨率可达0.125℃；ADC转换后的数字量存储在相应的存储器中，通过单线接口与主系统相连，可以对锂离子电池组成的电源进行管理和控制，即实现读取，内部存储器的写访问和控制。该器件功耗低，工作状态最大电流80μA，节能状态（休眠模式）小于2μA。

DS2760的功能结构框图如图1所示。它由温度传感器、25mΩ电流检测电阻、多路复用器、参考电压、ADC、多个存储器、电流累加器和时基、状态/控制电路、单线与主系统、锂离子保护器等的接口和地址

 

图1——DS2760功能结构示意图

 

DS2760具有三种类型的存储器：EEPOM、可锁定EEPROM和SRAM。EEPROM用于保护重要的电池数据，可锁定的EEPROM用作ROM，SRAM可临时用于数据存储。

应用电路并不复杂，如图2所示，两个P沟道功率MOSFET分别控制充电和放电。锂离子电池连接在BAT+和BAT-之间。PACK+和PACK-是电池组的正负极，DATA端接系统。该电路适用于单节锂电池。如果SMD元件占用空间小，也可以用在电池上。

 

图 2 - 应用电路原理图

 

锂离子电池系统的热变化与控制

 

电池系统的温度变化由发热和散热两个因素决定。热量的产生可能是由电池材料之间的热分解和/或反应引起的。

当电池某一部分出现偏差，如内部短路、大电流充放电、过充等，会产生大量热量，导致电池系统温度升高。当电池系统达到一定温度时，会引起分解等一系列反应，导致电池热损坏。同时，由于锂离子电池中的液态电解质是有机化合物，易燃，当系统温度达到较高水平时，电池就会着火。当产生的热量不大时，电池系统的温度也不高，此时电池处于安全状态。锂离子电池内部发热的原因主要有以下几点。

(1) The reaction between the battery electrolyte and the negative electrode Although there is an interface protective film between the electrolyte and the metal lithium or carbon material, the existence of the protective film limits the reaction between them. However, when the temperature reaches a certain height, the reaction activity increases, and the interface film is not enough to prevent the reaction between the materials, and the reaction can only be prevented when a thicker protective film is formed. Since the reaction is an exothermic reaction, the temperature of the battery system will increase. For example, during the thermal test of the battery, it will indicate that the system has an exothermic reaction. Put the battery in a warmer. When the air temperature rises to a certain level, the temperature of the battery system rises and is higher than the temperature of the surrounding air, but after a period of time, it returns to the surrounding air temperature. It shows that when the protective film reaches a certain thickness, the reaction stops. There is no doubt that different types of protective films are related to the reaction temperature.

(2)电解液中的热分解当锂离子电池系统达到一定温度时，电解液会分解并产生热量。对于EC-PC/LiAsF ₆ 电解液，分解温度约为190℃。加入2-甲基四氢呋喃后，电解液的分解温度开始下降。

例如，对于 EC-(2-Me-​​THF)(50/50)/LiAsP6 和 PC-EC-(2-Me-​​THF)(70/15/15) LiAsP ₆ 体系，它们的分解温度为 145° C 和 155°C，分别。但 用LiCF ₃ SO _{3代替LiAsP 6}，热稳定性明显提高。_{PC-EC-(2-Me-​​THF)(70/15/15)/LiCF 3} SO ₃的分解温度 为260℃。当它被氧化时，电解质体系的热稳定性会显着降低。

(3) The reaction between the electrolyte and the positive electrode Since the decomposition voltage of the lithium-ion battery electrolyte is higher than the voltage of the positive electrode, the reaction between the electrolyte and the positive electrode rarely occurs. However, when overcharge occurs, the positive electrode will become unstable and will oxidize with the electrolyte to generate heat.

(4) Thermal decomposition of negative electrode material As a negative electrode material, metallic lithium will absorb heat and melt at 180°C. When the negative electrode is heated to above 180°C, the battery temperature will stay at about 180°C. It must be noted that the molten lithium is easy to flow and cause a short circuit.

对于碳负极，碳化锂在 180°C 时会分解并产生热量。针刺实验表明，嵌锂的安全限度为60%。插入量过多时，容易导致负极材料在较低温度下发生放热分解。

(5)正极材料的热分解 当工作电压高于4V时，正极材料会不稳定，特别是在带电状态下，正极材料在180℃时会分解。与其他正极材料相比，V2O5正极相对稳定，熔点（吸热）为670℃，沸点为1690℃。对于4V正极材料，当处于充电状态时，其分解温度按以下顺序降低：LiMnO4>LiCO2>LiNiO2。LiNiO2 的可逆容量高，但不稳定。通过掺杂Al、Co、Mn等元素，可有效提高其热稳定性。

(6)正极活性物质和负极活性物质的热焓变化锂离子电池充电时吸热，放电时放热，主要是锂嵌入正极材料的热焓变化所致。

(7) 电流通过内阻产生热量。电池具有内阻 (R _c )。当电流通过电池时，内阻产生的热量可以用I ₂ R _c计算。热量有时是极化热。当电池被外部短路时，电池内阻产生的热量占主导地位。

(8)其他 对于锂离子电池，负极电位与金属锂的电极电位接近，因此除了上述反应外，还必须考虑与粘合剂的反应。如含氟胶粘剂（包括PVDF）与负极反应产生的热量。当使用酚醛树脂基粘合剂等其他粘合剂时，可以大大降低电池的发热。此外，溶剂和电解质盐类也会引起反应热的产生。

降低电池系统发热，提高系统耐高温性能，电池系统安全。此外，在电池制造过程中使用不易燃或不易燃的电解质，如陶瓷电解质、熔盐等，也可以提高电池的耐高温性能。