鋰離子電池的運行范圍很小，這取決于操作安全性和整體電池壽命。為了確保適當的工作電壓水平，工程師可以使用半導體制造商的各種專用IC（包括ADI公司，Atmel公司，Maxim Integrated公司，Skyworks公司，意法半導體公司和德州儀器公司等）為電能采集設計構建電壓監控功能。

鋰離子電池通常充電至標稱電壓4.20 V，容差約為±50 mV。根據特征充電曲線（圖1），電池通過恒定電流階段達到此設定點電壓，該電流快速提升電荷水平和恒定電壓階段，使電池達到其最大電荷水平。

圖1：鋰離子電池的特性恒定電流/恒定電壓充電曲線使電池達到最佳充電點，超過該充電點即可施加更高電壓導致細胞應激和最終損傷（德州儀器公司提供）。

雖然施加超過4.2 V設定點的更高電壓可以暫時增加電池容量，但更高的電壓會導致電池內部發生變化。在經受長時間過電壓條件的電池中，鋰離子開始在陽極上鍍覆，從而減少了游離鋰離子的數量，并導致電池充電容量和整個電池壽命的損失。此外，持續施加超過設定點的電壓水平會導致氧化效應，從而導致產生CO2。如果允許過壓條件持續存在，則增加的CO2壓力可能導致電池內部安全膜破裂，從而導致災難性的熱失控甚至燃燒。

為了防止過壓情況，工程師可以從一系列專用器件中進行選擇，包括針對典型鋰離子電池設計的IC，電池數量有限，專為大型多電池堆設計的IC，專為環境能量設計的IC - 采用高度集成的MCU進行設計，甚至是基于軟件的解決方案。

鋰離子電池保護

設計人員可以使用各種可用的鋰離子充電IC（如STMicroelectronics STBC21，Skyworks Solutions AAT3783或德州儀器BQ24314A）保護僅包含少量電池的鋰離子電池。

這些器件通常提供在發生過壓情況時觸發的信號。例如，ST STBC21具有內置過壓保護功能，當VBAT（存儲設備引腳上的電壓）超過工廠設定的4.23 V±20 mV時觸發報警。

通過Skyworks AAT3783，工程師可以使用出廠設置的過壓跳變點或使用連接到專用OVP引腳的外部電阻對設定點進行編程。當輸入電壓超過此跳變點時，AAT3783關閉內部P溝道FET，斷開輸入。

同樣，德州儀器（TI）BQ24314A監控輸入電壓，并在過壓條件下使用內部開關斷開。斷開快速發生：在BQ24314A中，內部FET開關在不到一微秒的時間內關閉。在輸入電壓恢復到適當的電平后，FET再次導通，但在延遲后允許輸入電壓穩定。

電池組

確保適當的電壓水平對于電動汽車中使用的大型電池組尤其重要。 ADI公司的AD7280A等器件具有關鍵功能，包括確保大串鋰離子電池安全所需的過壓保護。對于過壓保護，ADI公司的AD7280A提供動態報警功能，如果電池電壓超過用戶設定的上限閾值，則會觸發該功能。

通常情況下，該器件可以級聯排列，以監控單個串中的大量單元，使用多路復用高速ADC對單個單元電壓進行采樣。

在AD7280A中，警報信號可以類似地以菊花鏈形式連接，以警告下游MCU電池組中發生故障。 ADI公司還提供AD8280，這是一種僅用于監控電池電壓水平的硬件解決方案。

集成解決方案

對于環境能量收集設計，Maxim Integrated MAX17710等專用器件提供完整的解決方案，集成了充電和保護鋰離子存儲器件所需的全部功能。對于過壓保護，器件處理高于存儲設備設定點電壓的輸入源電壓，調節或分流過剩功率（圖2）。

圖2：對于高壓能源，工程師可以使用外部二極管，如Diodes，Inc。的ZLLS410TA，并依靠Maxim Integrated MAX17710 IC的內部分流器來防止過充電（由Maxim Integrated提供）。

另一款針對環境能量收集的設備，德州儀器BQ25504還為使用鋰離子電池的超低功耗設計提供完整的充電管理解決方案。與同類產品中的其他器件一樣，BQ25504可根據用戶編程的過壓和欠壓水平監控最大和最小電壓。該器件允許工程師使用外部電阻設置過壓（VBAT_OV）閾值電平，以防止鋰離子電池受到過壓狀況的影響。當輸入電壓達到合適的電平時，器件使用與目標設定點相同的閾值電平，為存儲設備提供穩壓輸出。

STMicroelectronics SPV1040是一款脈沖寬度調制（PWM）升壓轉換器，專為環境能量采集而設計，具有內置最大功率點跟蹤（MPPT）和監控功能。在包括過壓情況的故障事件期間，SPV1040會停止PWM切換，以防止損壞自身或下游電路。設計人員可以將ST SPV1040作為能量采集輸入級與鋰離子電池充電器IC（例如ST L6924D）作為輸出級，以構建完整的太陽能電池充電器。

除了這些基于硬件的解決方案外，工程師還可以使用高度集成的MCU（如Microchip PIC16F178x MCU系列）為MCU設計構建過壓保護。利用片上模擬比較器和ADC，設計人員可以通過編程方式監控電池電壓，并采取必要措施恢復正常的電壓水平（圖3）。

圖3：工程師可以使用高度集成的MCU（如PIC16F178x MCU系列）中提供的片上模擬比較器，為基于MCU的能量收集增加過壓保護設計（由Microchip Technology提供）。

結論

安全和性能考慮因素推動了鋰離子電池過壓保護的需求。當受到過壓條件時，這些電池會失去充電能力，甚至會因熱失控和燃燒而發生災難性故障。使用專用IC或集成MCU，工程師可以輕松構建能量收集中的過壓保護，以最大限度地提高鋰離子存儲設備的容量，壽命和安全性。