井冰 蘆朋 張濟國 謝峰 公安部安全與警用電子產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心

一、概述

為積極適應(yīng)執(zhí)法規(guī)范化建設(shè)要求，近年來，公安部在全國政法機關(guān)率先部署開展了執(zhí)法記錄儀配備使用工作。目前，執(zhí)法記錄儀已經(jīng)成為基層一線民警開展執(zhí)勤執(zhí)法工作的“利器”。修訂后的GA/T 947.2-2015《單警執(zhí)法視音頻記錄系統(tǒng) 第2部分：執(zhí)法記錄儀》[1]標(biāo)準(zhǔn)增加了對電池安全保護性能的要求，執(zhí)法記錄儀所使用的鋰電池組應(yīng)符合GA/T 18287-2013《移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范》[2]標(biāo)準(zhǔn)中4.4條電池保護性能的要求，即鋰電池組應(yīng)具備過充電保護、過放電保護和短路保護的功能。

2016年8月到10月間，三星NOTE7手機在全球范圍發(fā)生三十多起因電池缺陷造成的爆炸和起火事故，引發(fā)了社會的廣泛關(guān)注。目前鋰電池燃燒爆炸事件發(fā)生在各種應(yīng)用鋰電池的電子產(chǎn)品中。鋰電池爆炸主要由于電池溫度超過100℃、過充電或者短路等情況，導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，最終燃燒甚至爆炸。鋰電池保護板的不合理設(shè)計也可能導(dǎo)致電池過熱，以致其爆炸或者燃燒，過熱成為了影響鋰電池壽命的重要問題[3]。鋰電池大量使用在各種警用裝備中，對其安全性的要求變得更加迫切，警用裝備的生產(chǎn)制造廠商、監(jiān)管部門、標(biāo)準(zhǔn)制定部門應(yīng)加強對鋰電池安全性的關(guān)注。執(zhí)法記錄儀作為執(zhí)法現(xiàn)場視音頻采集的重要設(shè)備，其重要性不言而喻，對執(zhí)法記錄儀用電池質(zhì)量進行規(guī)范，不僅確保所采集視音頻數(shù)據(jù)的完整可靠性，更保護了執(zhí)法者的人身安全。

1991年日本索尼公司推出了首個商用鋰離子可充電電池，成為能源技術(shù)領(lǐng)域的一個重要里程牌。鋰電池因其放電電流大、內(nèi)阻低、無記憶效應(yīng)、高能量密度、綠色環(huán)保、使用壽命長、工作溫度范圍寬、自放電率低、安全性能高等優(yōu)點迅速替代了鎳鎘、鎳氫電池，成為便攜式電子設(shè)備的主流電源。國內(nèi)外許多著名半導(dǎo)體公司，如 Ricoh、Seiko、Texas Instruments、無錫日晟微電子、富享微電子以及南京拓微等紛紛開展了對鋰電池及保護電路的研發(fā)工作，并推出一系列鋰電池充放電保護芯片的框架及解決方案。代表性的應(yīng)用芯片有：Texas Instruments的BQ2057 系列和bqTINY 系列、Seiko的S82系列、Ricoh的R54系列。國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)也推出多款復(fù)雜程度不同的鋰電池保護芯片，代表性的應(yīng)用芯片有：無錫日晟微電子的SUN4000系列和SUN5000系列、富享微電子的DW01系列以及南京拓微的TP5000、TP4057、TP4056等[4]。目前，商用鋰電池的實際比能量多達555wh/kg，循環(huán)壽命可達2000次以上[5]。

二、電池保護電路的要求

在鋰電池的實際使用中，可能存在過充電、過放電、過電流的情況，都可能嚴(yán)重?fù)p害鋰電池性能，甚至引發(fā)自燃或爆炸。在過充電狀態(tài)下，鋰電池溫度上升后熱量累積，導(dǎo)致電解液分解而產(chǎn)生氣體，容易使內(nèi)壓上升而造成鋰電池自燃或破裂；在過放電狀態(tài)下，電解液分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化，所以需要限制放電電壓，保證有部分鋰離子可以留在負(fù)極，避免負(fù)極石墨層的鋰離子在放電時全部脫落回到正極，阻斷下次充電的回路，損害電池[6]；在外部電路短路或放電電流過大時，電池內(nèi)部功率消耗增加，溫度上升，可能引起電解液的氧化或分解，造成循環(huán)壽命降低，從而影響鋰電池的使用壽命。

溫度也是影響鋰電池性能的重要因素。若溫度過高，鋰電池性能的衰降和老化會加速，內(nèi)部熱效應(yīng)相應(yīng)加劇，最終可能引發(fā)爆炸；若溫度過低，鋰電池容量會迅速衰減，甚至完全沒有使用價值，即使鋰電池恢復(fù)至常溫，其部分容量也無法恢復(fù)[7]。

綜上所述，鋰電池保護電路非常重要，而且必不可少。結(jié)合實際應(yīng)用情況，鋰電池保護電路需要滿足以下要求：

（一）超低功耗

鋰電池保護電路由鋰電池供電，超低功耗的保護電路可降低鋰電池的額外損耗，提高對外輸出電量。

（二）高精度檢測電壓

鋰電池電壓低于其滿充電壓1.2%時，容量會減小9%[8]，因此，檢測電壓的偏差直接影響著鋰電池的可使用容量。

（三）大電壓范圍下正確工作

由于鋰電池保護電路的供電電壓為鋰電池電壓，而鋰電池電壓可能在較大范圍內(nèi)浮動，故要求鋰電池保護電路在較大電壓范圍內(nèi)能正確地工作。

（四）反應(yīng)迅速

對鋰電池進行保護時，需要完成精確、快速的控制動作。若異常情況發(fā)生而保護電路不能及時采取保護措施，同樣會影響鋰電池的使用壽命和容量，甚至引發(fā)爆炸。

（五）高精準(zhǔn)檢測溫度

溫度過高或過低都會加速鋰電池的老化，鋰電池保護電路應(yīng)對異常溫度做出正確及時的響應(yīng)，故要求保護電路必須能精準(zhǔn)檢測鋰電池組溫度。

（六）高集成度

設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單的電路，避免了復(fù)雜走線，能夠在尺寸更小的PCB上完成設(shè)計，提高集成度的同時也降低了生產(chǎn)成本。

三、鋰電池保護電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鋰電池保護電路框架如圖1所示，主要由兩個MOSFET和專用的保護芯片組成。保護芯片負(fù)責(zé)檢測鋰電池電壓和放電電流，并且控制兩個MOSFET的通斷，而MOSFET分別實現(xiàn)充電和放電回路的控制功能。保護芯片由鋰電池供電，VM是電壓檢測端，通過外接電阻實現(xiàn)過流檢測和短路檢測。DO用于控制放電端子，外接FETl，實現(xiàn)過放電控制；CO用于控制充電端子，外接FET2，實現(xiàn)過充電控制；TP為鋰電池組溫度檢測端子，外接一個過溫檢測電路[9]。

電阻R1和電容C1構(gòu)成平滑濾波電路，用來濾除高頻率干擾信號，防止保護電路產(chǎn)生誤動作。R2是鋰電池反向充電和充電器電壓超過電路額定電壓值時的限流電阻，用來控制電流大小。若R2取值太小，可能導(dǎo)致電路的功耗過大電路實用性大大降低；若R2取值過大，則可能使電池在進入過放電保護狀態(tài)后，即使連接上充電器也無法使之恢復(fù)到通常狀態(tài)[9]。FETl、FET2是控制充放電的開關(guān)，其中FETl、FET2內(nèi)部的兩個二極管是寄生二極管，當(dāng)其中一個控制充放電的FET關(guān)閉時，電路中仍然會形成充電或者放電回路。例如，當(dāng)鋰電池進入過充狀態(tài)，此時保護電路不僅需要將充電回路斷開，還需要在電池連接負(fù)載后，能建立放電回路。過充電時CO控制的MOSFET斷開，在電池連接負(fù)載后，允許電流通過FET2的寄生二極管從FET2流向FET1。

溫度檢測電路用于監(jiān)測鋰電池在充放電過程中的溫度，防止鋰電池在溫度過高或過低的環(huán)境下工作，保障其安全可靠。常用的溫度傳感器有熱電偶和熱敏電阻兩種。熱電偶采用兩種不同金屬構(gòu)成，若其中一端受熱，不同金屬之間便存在電壓差，進而計算出溫度值，但精度較低，且處理電路要求較高[10]；熱敏電阻則是根據(jù)導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性來檢測溫度的，根據(jù)溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。其中，PTC電阻值隨溫度升高而升高，NTC電阻值隨溫度升高而降低。

四、執(zhí)法記錄儀所用電池保護板介紹

圖2為一款執(zhí)法記錄儀用鋰電池及其保護板。保護板有兩個核心部件：一個是鋰電池保護芯片DW01，它由精確的比較器來獲得可靠的保護參數(shù)；另一個是串在主充放電回路中的高速開關(guān)8205A，它由兩個N溝道MOSFET及寄生二極管組成，執(zhí)行保護動作。DW01是一款單節(jié)可充電鋰電池保護集成電路，具有過充電保護、過放電保護、過電流及短路保護功能，其內(nèi)部包含三個電壓檢測電路、一個基準(zhǔn)電路、一個延遲電路、一個短路保護電路和一個邏輯電路，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

鋰電池保護板的電路連接圖如圖4所示。保護板的功能為：

（一）鋰電池正常工作

當(dāng)電芯電壓在2.7V至4.2V之間時，DW01的①、③腳均輸出高電平，②腳輸出低電平。8205A內(nèi)的兩個MOSFET因其柵極連接來自DW01的高電平，故均處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時，MOSFET的源極和漏極間內(nèi)阻很?。s數(shù)十毫歐），電芯的負(fù)極與保護板的P-端相當(dāng)于直接連通，電芯正常對外供電。其電流回路如下：B＋→P＋→負(fù)載→P-→8205A的⑥、⑦腳→8205A的⑧腳→8205A的①腳→8205A的②、③腳→B-。

（二）鋰電池過放電保護

當(dāng)電芯通過外接負(fù)載進行放電時，電芯電壓將逐漸降低，DW01內(nèi)部將通過R1電阻實時監(jiān)測電芯電壓，當(dāng)電芯電壓下降到過放保護電壓時，DW01將認(rèn)為電芯已處于過放電狀態(tài)，立即使①腳輸出低電平，8205A內(nèi)的Q1截止，電芯的B-與保護板的P-之間處于斷開狀態(tài)，電芯停止放電。當(dāng)進入過放電保護狀態(tài)后，電芯電壓逐漸上升，若能上升到過放保護恢復(fù)電壓，DW01的①腳恢復(fù)輸出高電平，8205A內(nèi)的Q1再次導(dǎo)通。若保護板的P與P-連接充電器后，DW01在檢測到充電電壓后立即結(jié)束過放電狀態(tài)，重新在①腳輸出高電平，使8205A內(nèi)的Q1導(dǎo)通，電芯經(jīng)充電器充電。

（三）鋰電池過充電保護

當(dāng)鋰電池通過充電器正常充電時，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當(dāng)電芯電壓升高到過充保護電壓時，DW01認(rèn)為電芯已處于過充電狀態(tài)，立即使③腳輸出低電平，8205A內(nèi)的Q2截止，此時電芯的B-與保護板的P-之間處于斷開狀態(tài)并保持，電芯停止充電。當(dāng)保護板的P＋與P-端接上放電負(fù)載后，雖然Q2截止，但其內(nèi)部的寄生二極管正方向與放電回路的電流方向相同，仍可通過負(fù)載放電。當(dāng)電芯兩端電壓低于過充保護恢復(fù)電壓時，DW01將退出過充電保護狀態(tài)，③腳重新輸出高電平，8205A內(nèi)的Q2導(dǎo)通，電芯進入正常工作狀態(tài)，可進行正常的充放電。

（四）鋰電池過電流保護

MOSFET導(dǎo)通時也存在內(nèi)阻，當(dāng)有電流流過導(dǎo)通狀態(tài)的MOSFET時，其源極和漏極間產(chǎn)生壓降，保護芯片會實時監(jiān)測MOSFET源極和漏極間的電壓，當(dāng)電壓升高到放電過流檢測電壓時，DW01將認(rèn)為電芯已處于過電流狀態(tài)，立即使①腳輸出低電平，關(guān)斷MOSFET，實現(xiàn)了對鋰電池的過電流保護。在圖4中，DW01通過電阻R2實時監(jiān)測MOSFET上的壓降。當(dāng)負(fù)載電流增大時，Q1或Q2上的壓降也必然增大，當(dāng)該壓降達到0.2V左右時，DW01便認(rèn)為通路中的電流到達了極限值，于是使①腳輸出低電平實現(xiàn)過電流保護。

該鋰電池保護板中并沒有過溫保護電路，當(dāng)電芯溫度升高或者降低超過溫度閾值時，該電路板無法對電芯進行保護，可能會影響鋰電池的使用壽命和電池容量，溫度過高時甚至引發(fā)爆炸。有兩種解決方案：一種復(fù)雜的方案是更換帶有溫度保護功能的鋰電池保護芯片，如Linear公司的鋰電池充電保護芯片LTC1733，其內(nèi)置恒溫調(diào)節(jié)器，有效預(yù)防了由于鋰電池過熱導(dǎo)致的一系列有害問題。此外，TI公司的鋰電池保護芯片bq24060同樣具有熱調(diào)節(jié)保護功能，可解決對電池壽命具有重要影響的溫度問題[3]。另一種簡單方案是在保護板上直接添加溫度傳感器電路，并將溫度傳感器的信號檢測端子隨P+、P-一起引出到電池外部，由其它電路進行檢測和啟動保護動作。

五、總結(jié)

本文首先介紹了鋰電池過充電、過放電、短路可能造成的危害，并總結(jié)歸納了鋰電池保護電路的超低功耗、高精度檢測電壓、反應(yīng)迅速等特點；其次，介紹了鋰電池保護電路的功能實現(xiàn)；最后結(jié)合執(zhí)法記錄儀中鋰電池保護板，詳細(xì)分析了由DW01和8205A組成的電池保護系統(tǒng)，并對存在的問題進行總結(jié)分析。

[1] GA/T 947.2-2015 單警執(zhí)法視音頻記錄系統(tǒng) 第2部分：執(zhí)法記錄儀[S].

[2] GA/T 18287-2013 移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范[S].

[3] 吳張玉. 單節(jié)鋰電池保護芯片的設(shè)計[D]. 成都:電子科技大學(xué), 2014.

[4] 楊健. 高性能鋰離子電池充放電保護芯片的設(shè)計[D]. 貴陽:貴州大學(xué), 2015.

[5] 劉偉偉. 高效均衡鋰電池充電器的研究與設(shè)計[D]. 濟南:山東大學(xué), 2016.

[6] 楊曉春. 高性能雙節(jié)鋰離子電池保護電路的設(shè)計[D]. 成都:電子科技大學(xué), 2013.

[7] 蔡燕鳳,張遠(yuǎn)明,黃加軍,等. 鋰離子電池過溫保護系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J]. 電池工業(yè), 2013, 18(6).

[8] 胡清琮. 基于恒流/恒壓方式的鋰離子充電電池保護芯片設(shè)計[D]. 杭州:浙江大學(xué), 2007.

[9] 豐玉龍. 電池保護監(jiān)測電路以及帶隙基準(zhǔn)電壓源電路的設(shè)計[D]. 上海:復(fù)旦大學(xué), 2013.

[10] 賈小龍. 48V鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 蘇州:蘇州大學(xué), 2014.