采用能量收集中的过压保护锂离子电池的安全

锂离子电池的运行范围很小，这取决于操作安全性和整体电池寿命。为了确保适当的工作电压水平，工程师可以使用半导体制造商的各种专用IC（包括ADI公司，Atmel公司，Maxim Integrated公司，Skyworks公司，意法半导体公司和德州仪器公司等）为电能采集设计构建电压监控功能。

锂离子电池通常充电至标称电压4.20 V，容差约为±50 mV。根据特征充电曲线（图1），电池通过恒定电流阶段达到此设定点电压，该电流快速提升电荷水平和恒定电压阶段，使电池达到其最大电荷水平。

图1：锂离子电池的特性恒定电流/恒定电压充电曲线使电池达到最佳充电点，超过该充电点即可施加更高电压导致细胞应激和最终损伤（德州仪器公司提供）。

虽然施加超过4.2 V设定点的更高电压可以暂时增加电池容量，但更高的电压会导致电池内部发生变化。在经受长时间过电压条件的电池中，锂离子开始在阳极上镀覆，从而减少了游离锂离子的数量，并导致电池充电容量和整个电池寿命的损失。此外，持续施加超过设定点的电压水平会导致氧化效应，从而导致产生CO2。如果允许过压条件持续存在，则增加的CO2压力可能导致电池内部安全膜破裂，从而导致灾难性的热失控甚至燃烧。

为了防止过压情况，工程师可以从一系列专用器件中进行选择，包括针对典型锂离子电池设计的IC，电池数量有限，专为大型多电池堆设计的IC，专为环境能量设计的IC - 采用高度集成的MCU进行设计，甚至是基于软件的解决方案。

锂离子电池保护

设计人员可以使用各种可用的锂离子充电IC（如STMicroelectronics STBC21，Skyworks Solutions AAT3783或德州仪器BQ24314A）保护仅包含少量电池的锂离子电池。

这些器件通常提供在发生过压情况时触发的信号。例如，ST STBC21具有内置过压保护功能，当VBAT（存储设备引脚上的电压）超过工厂设定的4.23 V±20 mV时触发报警。

通过Skyworks AAT3783，工程师可以使用出厂设置的过压跳变点或使用连接到专用OVP引脚的外部电阻对设定点进行编程。当输入电压超过此跳变点时，AAT3783关闭内部P沟道FET，断开输入。

同样，德州仪器（TI）BQ24314A监控输入电压，并在过压条件下使用内部开关断开。断开快速发生：在BQ24314A中，内部FET开关在不到一微秒的时间内关闭。在输入电压恢复到适当的电平后，FET再次导通，但在延迟后允许输入电压稳定。

电池组

确保适当的电压水平对于电动汽车中使用的大型电池组尤其重要。 ADI公司的AD7280A等器件具有关键功能，包括确保大串锂离子电池安全所需的过压保护。对于过压保护，ADI公司的AD7280A提供动态报警功能，如果电池电压超过用户设定的上限阈值，则会触发该功能。

通常情况下，该器件可以级联排列，以监控单个串中的大量单元，使用多路复用高速ADC对单个单元电压进行采样。

在AD7280A中，警报信号可以类似地以菊花链形式连接，以警告下游MCU电池组中发生故障。 ADI公司还提供AD8280，这是一种仅用于监控电池电压水平的硬件解决方案。

集成解决方案

对于环境能量收集设计，Maxim Integrated MAX17710等专用器件提供完整的解决方案，集成了充电和保护锂离子存储器件所需的全部功能。对于过压保护，器件处理高于存储设备设定点电压的输入源电压，调节或分流过剩功率（图2）。

图2：对于高压能源，工程师可以使用外部二极管，如Diodes，Inc。的ZLLS410TA，并依靠Maxim Integrated MAX17710 IC的内部分流器来防止过充电（由Maxim Integrated提供）。

另一款针对环境能量收集的设备，德州仪器BQ25504还为使用锂离子电池的超低功耗设计提供完整的充电管理解决方案。与同类产品中的其他器件一样，BQ25504可根据用户编程的过压和欠压水平监控最大和最小电压。该器件允许工程师使用外部电阻设置过压（VBAT_OV）阈值电平，以防止锂离子电池受到过压状况的影响。当输入电压达到合适的电平时，器件使用与目标设定点相同的阈值电平，为存储设备提供稳压输出。

STMicroelectronics SPV1040是一款脉冲宽度调制（PWM）升压转换器，专为环境能量采集而设计，具有内置最大功率点跟踪（MPPT）和监控功能。在包括过压情况的故障事件期间，SPV1040会停止PWM切换，以防止损坏自身或下游电路。设计人员可以将ST SPV1040作为能量采集输入级与锂离子电池充电器IC（例如ST L6924D）作为输出级，以构建完整的太阳能电池充电器。

除了这些基于硬件的解决方案外，工程师还可以使用高度集成的MCU（如Microchip PIC16F178x MCU系列）为MCU设计构建过压保护。利用片上模拟比较器和ADC，设计人员可以通过编程方式监控电池电压，并采取必要措施恢复正常的电压水平（图3）。

图3：工程师可以使用高度集成的MCU（如PIC16F178x MCU系列）中提供的片上模拟比较器，为基于MCU的能量收集增加过压保护设计（由Microchip Technology提供）。

结论

安全和性能考虑因素推动了锂离子电池过压保护的需求。当受到过压条件时，这些电池会失去充电能力，甚至会因热失控和燃烧而发生灾难性故障。使用专用IC或集成MCU，工程师可以轻松构建能量收集中的过压保护，以最大限度地提高锂离子存储设备的容量，寿命和安全性。