1、锂电池过放
过放是指放电时电压达到额定电压还继续放电,如额定放电电压3V,低于3V还继续放电就是过放。
过放电会使电池内阻增大,电池内压升高,正负极活性物质可逆性受到破坏,电解液分解,负极锂沉积,这些损害都是不可逆的,造成容量明显减少。甚至过度放电,可能导致电池内部正负极化学反应过快,导致内部气体大量释放,引起过热燃烧。
2、锂电池过充
过充就是充电电压加到高于锂电池的额定电压4.2V。比如直接用5V电压给锂电池充电(无保护板),其结果是锂电池会鼓包,甚至可能会爆炸起火。
3、锂电池过流
充电过流、放电过流都可能出现过热(异常短路会导致过流),出现燃烧、爆炸风险。
4、高温充放电
高温充放电会破坏电池内的化学平衡,材料性能退化,寿命大大减少。
因此,锂电池组件会有一块保护板,用来保护过充、过放、过流、高温异常。图1为锂电池组件保护板的框图,左边为充电IC部分的框图,右边虚线部分为锂电池组件的框图。通常锂电池组中是3pin座子(座子间距2.54mm或2.0mm,过大电流),其中由锂电池正极B+、锂电池负极B-、NTC热敏电阻T。有的电池组没有把NTC热敏电阻放在保护板上,而是单独把NTC热敏电阻贴在点电池组的外面,再连接到产品的控制电路板上。
图1 锂电池组件的保护板框图
电池保护板上的NTC热敏电阻(NTC一端接地,另一端接电池充电控制IC管脚),在电池温度上升时,NTC热敏电阻温度也会随之上升,从而NTC电阻值会下降,因此电池充电控制IC用ADC检测的电压值就降低,当检测到的电压值达到下限阈值时,电池充电控制IC就会停止对电池的充电或放电。
那电池保护板为什么采用NTC而不是PTC?
如上所说,如采用PTC热敏电阻,电池温度升高时,PTC热敏电阻阻值升高,电池充电控制IC检测电压升高,这是否可以用来判断电池过温问题?先要看下温度对NTC热敏电阻和PTC热敏电阻阻温曲线。
PTC热敏电阻
PTC热敏电阻(PTC:PositiveTemperature Coefficient 正温度系数的热敏电阻,也叫自恢复保险丝),随着温度升高,阻值增大。如图2 PTC热敏电阻阻温曲线所示,其中R25°C表示PTC在环境温度25°C的阻值,正常是毫欧级别的(串联使用时,阻值很低,对电路不影响)。
2XR25°C表示PTC在环境温度25°C时的阻值的两倍,也是毫欧级别的。
图2 PTC 阻温曲线
如图3是PTC spec的参数,2xRmin Tsw表示居里温度,其值是95°C。
图3 PTC spec参数
从上面说明可知,环境温度25°C的PTC阻值的两倍所对应的温度,为居里温度。从环境温度25°C到居里温度的范围内,PTC电阻值有稍微变化,但基本维持一定阻值,属于低阻值范围。当环境温度超过居里温度点时,PTC电阻值指数增长,不是线性的(电流超过I-trip时,也会导致过热,使得阻值呈指数增加)。因此,PTC热敏电阻并能通过阻值来有效的反推温度值。
即PTC一般串联在电路中使用,用来限制电路电流,是一种过流保护器件。当过大电流产生时(不同温度对应的大电流触发值不一样),PTC内部的热量而不能及时散发出去,导致元件内高分子材料温度上升,当温度达到材料结晶熔化温度时,高分子材料急剧膨胀,阻断由导电粒子组成的导电通路,导致电阻值迅速上升,限制了大电流通过,从而起到过流保护的作用。
当故障排除后,PTC 重新冷却结晶,体积收缩,导电粒子重新形成导电通路,自复保险丝恢复为低阻状态,从而完成对电路的保护。
NTC热敏电阻
测温型NTC热敏电阻(NTC:Negative Temperature Coefficient,负的温度系数),随着温度升高,阻值减小。如图4和图5所示的NTC热敏电阻的阻温特性表(温度从-40°C~178°C;R25=10K,即环境温度25°时,阻值是10K),温度变化1°C,阻值相应地明显变化,温度响应很灵敏,也就能精准地反向换算出阻值对应的温度。
图4 NTC热敏电阻的阻温特性表
图5 NTC热敏电阻的阻温特性表
另外,还有功率型NTC热敏电阻,其主要用在开关电源设计中,串联在市电输入上,抑制浪涌电流。(接通开关电源时,会有高峰值的浪涌电流给滤波电容充电,大的浪涌电流对滤波电容、整流二极管都有大的影响。)其R25标称电阻值,常用的有2.5Ω、5Ω、10Ω等,利用常温下的阻值来抑制浪涌电流,正常工作时,温度上升,阻值降到很低,对电路不影响。
小结
1、在低于居里温度点时,PTC热敏电阻阻值变化很小,几乎维持一定阻值。
2、由于PTC热敏电阻过居里温度时,阻值是呈指数增长,串在电路上相当于断开,通常是串联在电路上,防止过流,断开电路。
3、测温型NTC热敏电阻对温度变化敏感,温度范围也大,温度每变化1°有对应的阻值,因此适用在温度检测上,尤其是温度测量。
4、功率型NTC热敏电阻通常用在开关电源上,串联在市电输入上。