王维佳 龙泽 高申
【摘要】锂离子电池如今的应用范围很广，手机、笔记本等便携式电器中都可以见到。对人们的生活产生越来越重要的影响。锂离子电池容量大、体积小、价格低、无污染，可以应用的范围和空间是无可限量的。因此，对锂离子电池的技术研究是非常必要的，研究锂离子电池的使用中的问题和常见的解决措施，关注锂离子电池技术的最新发展，意义重大。
【关键词】锂离子电池;技术;常见问题;保护
1.锂离子电池的工作原理
锂离子电池中并没有金属锂的存在，而是以含锂离子的化合物为正极，以碳素材料为负极的蓄电池。锂离子嵌入和脱离正极化合物的过程就是蓄电池充电和放电的过程，这个过程同时伴随着与锂离子等量电子的嵌入和脱离。一般情况下，人们用嵌入表示充电，用脱插表示放电。锂离子在正、负极之间来回嵌入和脱插的过程就是充电和放电的过程，也因此锂离子电池也被称为“摇椅电池”。
充电的过程就是锂离子生成和运动的过程，电池正极的化合物产生大量的锂离子，进过电解液之后，锂离子由正极运动到负极。而锂离子电池的负极是由碳素材料构成的，到达负极的锂离子会嵌入在碳素材料的小孔中，碳素材料能够容纳的锂离子越多，电池能够容纳的电量就越大。
放电的过程与充电的过程相反，负极的锂离子脱离碳素材料的小孔，返回正极。回到正极的锂离子的数量越多，电池的电量使用的就越多。
2.锂离子电池的常见问题
锂离子电池在使用过程中最应该注意的是以下问题：过充电问题、过放电问题、过流问题、充电不均衡问题以及环境温度影响电池寿命等。这些问题会对电池造成比较严重的伤害，甚至可能引起电池的爆炸。因此，锂离子电池在使用中要预防和解决这些问题。
2.1 过充电问题
锂离子电池的单节电芯的电压超过规定值时，会引起电池内电解质的分解。而电解质的分解会造成电池温度的上升，降低电芯的使用寿命，分解严重时产生的气体还可能会引起电池的爆炸。
因此，锂离子电池在使用和研发过程中必须高度重视过充电问题，以免造成安全隐患和资源浪费。应该在充电时对电池设置保护设施，当电压超过电芯的承受值时，设置的保护电路要自动切断充电回路，而当电压回归到电芯能够承受的范围内时，保护电路自动终止工作，进行正常充电。
不同的锂离子电池的构成材料是不尽相同的，因此能够承受的电压值也是不一样的，设置保户电路时要根据具体的电池材料来进行。
除此之外，在设置保护电路时，还应该注意因为噪声而产生的错误判断和操作。在设置保护电路时，应该设置过充保护延时，也就是说电压超过电芯承受值一定时间之后才会触发保护电路的保护工作。
2.2 过放电问题
过放电问题也会造成锂离子电池寿命缩短的结果。尤其需要注意的是，锂离子电池的过放电对电池造成的伤害是不可逆转的，也就是说，一旦因为过放电问题对电池造成了损害，采用任何措施都不能让电池恢复健康的状态。
为了对锂离子电池进行适当的保护，需要对过放电问题进行预防，设置放电保护装置。当锂离子电池的电压低于放电电压监测点时，放电保护装置可以自动发挥作用，终止电池的放电过程。
2.3 过电流、短路问题
过电流问题是指放电时过大的电流也会造成对电池的损害，而且这种损害同样是不可逆转的。锂离子电池对放电电流有一定的限制，当放电电流超过这个临界值时，电池的寿命就会受到影响。
过流保护也需要设置一定的时间延迟，一般在至少要几百微秒至毫秒，这样做也同样是为了避免误操作对电池使用过程的影响。但是延迟时间过长，针对过电流问题的保护作用就起不到效果，仍然会造成对电池的损害，所以延迟的时间要有一个比较准确的空间。
过流问题中的一个特殊表现就是短路问题，生活中常见到这样的场景，在插座上插入大功率的电器时，就会容易引起电路的短路，这就是由大电流放电引起的损害。而与过流问题不同的是，短路问题几乎没有保护线路时间延迟的问题，而是应该在短路问题发生的瞬间就切断回路，否则会对电池和电器造成严重的损失。
2.4 电池均衡问题
动力锂离子电池有时候需要几串、几十串甚至几百串以上，而这些电池在使用中可能发现不均衡的状况。这是因为电池的生产需要经过很多道工序，虽然在最后都经过了非常严格的检测，但毕竟在生产过程中会产生各种各样的差异，使用一段时间之后，这些差异就会开始慢慢显现。
这时，如果是多个电池组成的电池组，那么整个电池组的容量就取决于整个电池组中容量最差的那个电池的电芯容量。这就是著名的木桶理论。
面对这样的问题，应该对电池设置相应的保护线路，从较高电压的电池中抽取多余的电量，这样可以使得整个电池组的电量比较均衡。常用的均衡方法有两种：储能均衡和电阻均衡。
3.实现保护功能的技术研究
保护锂离子电池的方法一般有以下两种：单片机控制和集成电路保护芯片。下面先来介绍第一种——IC控制。
3.1 IC控制
IC就是指电池的芯片，目前市场上芯片的类型有很多，技术和设置比较成熟的类型也不少，只是价格会比较昂贵。
在实际应用时要注意对IC的选择，不同的芯片对过充电保护的电压是不一样的，要选择最适当的比较容易控制的類型。另外还要考虑IC的自身功耗如何，外围电路是否够简单，保护IC的各参数精确到什么程度，体积是否够小等。
锂离子电池工作或充电时瞬间可能会产生高压，因此IC应具备耐高压的特点。
如图1所示为以精工S-8254A为保护IC的4串应用原理图。S-8254系列的IC内部有精度较高的电压检测电路和延迟电路，可保护3节或4节串联电池进行充电。
图1 以精工S-8254A为保护IC的4串应用原理图
3.2 MCU控制
当前的集成电路对芯片的保护一般是针对4节以下串联的电池组，而对于4节以上的电池组所采用的方法是完全不同的。具体可以包括多个单级保护芯片串联或几个多级保护芯片串联等方式。为了节约成本和增加灵活性，很多时候锂离子电池采用以MCU（微处理器）为核心的设计方案。
微处理器作为核心，不但可以解决过充、过放、过流等问题，同时可以提供如容量预测、通讯、身份识别等功能。
锂离子电池的技术研究是一个较新的课题，对电池进行过充、过放、过流＼短路和均衡等方面的保护，是锂离子电池在使用中必须解决的问题，也会使锂离子电池使用起来更加安全、可靠。
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