锂电池相关结构优势特点及其保护电路解析方案
锂电池相关结构优势与特点及其保护电路分析解答转载自:锂离子电池凭借其优异的特性,被广泛应用于移动电话、摄像机、笔记本电脑、无绳电话、电动工具、遥控或电动玩具、照相机等便携式电子设备中。1、锂电池与镍镉、镍氢充电电池:锂离子电池的负极为石墨晶体,正极通常为二氧化锂。充电时,锂离子由正极向负极移动并嵌入石墨层中。放电时,锂离子在石墨晶体中脱离负极表面,向正极移动。因此,电池在充放电过程中,锂总是以锂离子的形式出现,而不是以金属锂的形式出现。因此,这种电池被称为锂离子电池,简称锂电池。 锂电池具有体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率小、电池循环次数多等优点,但价格较贵。镍镉电池由于容量低、自放电严重、污染环境等原因,逐渐被淘汰。镍氢电池性能价格比高,不污染环境,但单节电压只有1.2V,因此使用范围受到限制。2、锂电池的特点:1、具有较高的重量能量比和体积能量比;2、电压高,单节锂电池的电压为3.6V,相当于3节镍镉或镍氢充电电池的串联电压;3、自放电小,可长期保存,这是这种电池最突出的优点;4、无记忆效应。 锂电池没有镍镉电池所谓的记忆效应,因此锂电池在充电前不需要放电;5、寿命长。
在正常工作条件下,锂电池的充放电循环次数远大于500次;6、可以快速充电。锂电池通常可用容量的0.5~1倍电流充电,使充电时间缩短为1~2小时;7、可以随意并联使用;8、由于电池不含镉、铅、汞等重金属元素,对环境友好,是当代最先进的绿色电池;9、成本高。与其他充电电池相比,锂电池价格较高。3、锂电池内部结构:锂电池通常有圆柱型、矩形两种外观。电池内部采用螺旋卷绕结构,正负极之间由非常细密、透气性极好的聚乙烯薄膜隔离材料隔开。正极包括由锂和二氧化钴组成的锂离子集流体和由铝膜组成的集流体。 负极由片状碳材料构成的锂离子集流体和铜膜构成的集流体组成。电池内部充满有机电解液。另外还安装有安全阀和PTC元件,当电池处于异常状态和输出短路时,保护电池不受损坏。单节锂电池的电压为3.6V,容量不可能无限大,因此单节锂电池常常采用串联或并联的方式,以满足不同场合的要求。四、锂电池的充放电要求;1、锂电池的充电:根据锂电池的结构特点,最高充电终止电压应为4.2V,不能过充,否则会因正极夺走过多的锂离子而导致电池报废。它的充放电要求比较高,可采用专用的恒流恒压充电器进行充电。
通常恒流充电达到4.2V/cell后转为恒压充电,当恒压充电电流降到100mA以下时,应停止充电。充电电流(mA)=0.1~1.5倍电池容量(例如某电池充电电流可控制在135~之间)。常规充电电流可选择在0.5倍电池容量左右,充电时间约2~3小时。0 2、锂电池的放电:由于锂电池内部结构的原因,放电时锂离子不可能全部移动到正极,必须有一部分锂离子保留在负极,以保证下次充电时锂离子能顺利嵌入通道中,否则电池寿命会相应缩短。为了保证放电后仍有部分锂离子保留在石墨层中,必须严格限制最低放电终止电压,即锂电池不能过放电。 放电终止电压通常为3.0V/cell,最低不能低于2.5V/cell。电池放电时间的长短与电池容量和放电电流有关。电池放电时间(小时)=电池容量/放电电流。锂电池的放电电流(mA)不要超过电池容量的3倍。(对于电池来说,放电电流要严格控制在3A以内)否则会损坏电池。目前市场上销售的锂电池组都封装有配套的充放电保护板。只要控制好外部的充放电电流即可。5、锂电池保护电路:两节锂电池的充放电保护电路如图1所示,由两只场效应管和一块专用保护集成块S--8232组成。电路中串联过充控制管FET2和过放电控制管FET1,保护IC监视电池电压并进行控制。 当电池电压上升到4.2V时,过充保护管FET1截止,停止充电。
为防止误动作,通常在外电路中加延时电容。当电池处于放电状态,电池电压降至2.55V时,过放电控制管FET1截止,停止向负载供电。过流保护就是在负载流过大电流时,控制FET1截止,停止向负载放电,以保护电池和场效应管。过流检测利用场效应管的导通电阻作为检测电阻,监视其压降,当压降超过设定值时,停止放电。电路中一般加延时电路,以区别浪涌电流和短路电流。该电路功能完善,性能可靠,但专业性强,专用集成电路不易买到,业余人士也不易仿制。
6、简易充电电路:现在很多商家出售的单节锂电池不带充电板,它性能优良,价格低廉,可用于自制产品及锂电池组的维修更换,因此深受广大电子爱好者的喜爱。有兴趣的读者可以参考图2自己制作一个充电板。其原理是:用恒定电压给电池充电,保证不会过充,输入直流电压比被充电电池电压高3伏,R1、Q1、W1、TL431组成精密可调稳压电路,Q2、W2、R2组成可调恒流电路,Q3、R3、R4、R5、LED为充电指示电路。随着被充电电池电压的升高,充电电流会逐渐减小,当电池充满后,R4上的压降减小,使Q3截止,LED熄灭。 为确保电池充满电,请在指示灯熄灭后继续充电1-2小时。使用时请给Q2、Q3加装合适的散热器。此电路优点是:制作简单、元件易买、充电安全、显示直观、不损坏电池。通过改变W1可以对多节串联锂电池进行充电,通过改变W2可以在较大范围内调整充电电流。缺点是:没有过放电控制电路。图3为充电板印刷电路板图(元件侧透视图)。
七、单节锂电池应用实例 1、电池组修复与更换 电池组有很多,比如笔记本电脑里面用的电池组,经过维修发现,这种电池组损坏时,只有个别电池有问题,可以选择合适的单节锂电池进行更换。 2、制作高亮度微型手电筒 我曾用单节3.6V1.6AH锂电池配上白色超高亮度发光管,制作了一个微型手电筒,使用方便,小巧美观。而且由于电池容量大,每晚平均使用半小时,不用充电,已经用了两个多月了。电路如图4所示。
3、3V电源的替代由于单节锂电池的电压为3.6V。因此,只需一节锂电池即可替代两节普通电池,为收音机、随身听、照相机等小家电供电,不仅重量轻,而且连续使用时间长。8、锂电池的储存:锂电池需充满电后再储存,在20℃下可保存半年以上,由此可见锂电池适合低温储存。曾有人建议将充电电池存放在冰箱中,这的确是个好主意。9、使用注意事项:锂电池不得拆解、钻孔、刺穿、锯切、加压、加热,否则可能造成严重后果。无充电保护板的锂电池不能短路,不能让儿童玩耍,不能靠近易燃物品和化学品。报废锂电池必须妥善处理。