CN101807806A - 一种可充电锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可充电锂离子电池，包括外壳、芯体和用于控制所述芯体充放电的线路板，所述线路板上包括放电电路和充电电路，所述放电电路包括：放电监测电路和直流转换芯片；所述充电电路包括：充电二极管和保护电路，所述保护电路的一端与所述直流转换芯片的电源输出端相连，所述保护电路的另一端与所述直流转换芯片的输入监测端相连。本发明设计保护电路连接在直流转换芯片的电源输出端和输入监测端之间，起到保护直流转换芯片的作用。根据实验结果表示，采用本发明的技术方案，可以使得可充电锂离子电池可用电量的有效性达到80％以上，极大地提高可充电锂离子电池的效率和可靠性。

Description

一种可充电锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种可充电锂离子电池，特别涉及一种圆柱型可充电锂离子电池。
背景技术
在目前大量使用的一次电池中，锌锰电池仍占有相当的比例。一次锌锰电池的大量生产和使用带来了严重的资源浪费和环境污染问题。锌锰电池之所以能够广泛生产和应用，除了具有使用方便和价格低廉的特点外，另一个重要原因是目前还没有开发出性能可靠的1.5V可充电池。现有的镍镉可充电池和镍氢可充电池虽然循环可充性能良好，但实际放电平台仅为1.2V，与一次锌锰电池的放电平台相差近0.3V，满足不了很多小型电器对于1.5V电源电压平台的要求。
锂离子电池循环可充性能优越，自放电小，没有记忆效应，具有广阔的市场前景。但是目前绝大部分锂离子电池的输出电压平台都在3伏以上，若用于替换1.5V一次锌锰电池，就需要设计电路对锂离子电池进行电压输出转换。
中国专利200820093303.2公布了一种可充电电池，可以将锂离子电池的大于等于2.5V的输出电压转换为1.5V输出电压。请参见图1，该专利中为了防止充电时对DC/DC电压转换装置的损坏，在输出极上还加了一个防反二极管D2，对于1.2V到1.5V输出的电池而言，二极管D2会消耗0.6-0.7V的电压，因为是串联在输出极上，二极管D2浪费的能量达到输出有效能量的50％，考虑到DC/DC电压转换装置效率一般为90％，由于二极管D2的使用，使得实际电池可用电量的有效性难以突破60％。除了效率降低外，在大电流放电情况下，二极管的发热会非常严重，这对于电池本身和内部芯片会造成安全隐患。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种可充电锂离子电池，提高锂离子电池的整体效率。
为实现本发明的上述目的，提供一种可充电锂离子电池，包括外壳、芯体和用于控制所述芯体充放电的线路板，所述线路板上包括放电电路和充电电路，所述放电电路包括：放电监测电路，用于监测所述芯体的电压，所述放电监测电路的输入端与所述芯体输出端相连；直流转换芯片，用于降低所述芯体的输出电压，所述直流转换芯片的输入监测端与所述放电监测电路的输出端相连，所述直流转换芯片的电源输入端与所述芯体输出端相连；所述直流转换芯片的电源输出端作为所述可充电锂离子电池的输出；所述充电电路包括：充电二极管，所述充电二极管的输入端与所述直流转换芯片的电源输出端相连，所述充电二极管的输出端与所述芯体的输出端相连；保护电路，所述保护电路的一端与所述直流转换芯片的电源输出端相连，所述保护电路的另一端与所述直流转换芯片的输入监测端相连，用于通过对所述直流转换芯片输出端电压的检测，控制所述直流转换芯片的通断。
优选地，所述保护电路包括第一分压电阻、第二分压电阻和保护三极管，其中：所述第一分压电阻和第二分压电阻串联，所述第一分压电阻的另一端与所述直流转换芯片的输出端相连，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻的连接端与所述保护三极管的基极相连，所述第二分压电阻的另一端与所述保护三极管的发射极相连，所述保护三极管的集电极与所述直流转换芯片的输入监测端相连。
优选地，所述放电电路还包括滤波电路，所述直流转换芯片的电源输出端通过所述滤波电路滤波后作为所述可充电锂离子电池的输出。
优选地，所述放电电路还包括旁路电容，所述旁路电容的一端与所述直流转换芯片的电源输入端相连，所述旁路电容的另一端接地。
优选地，所述直流转换芯片为DC/DC电压转换装置。
优选地，所述芯体和所述线路板封装于所述外壳内。
优选地，所述线路板独立封装于所述外壳内。
优选地，所述芯体的正极材料至少包括磷酸亚铁锂、锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍钴氧化物和锂镍锰钴氧化物其中之一。
优选地，所述芯体的负极材料至少包括可逆嵌锂的硅基合金、锡基合金、石墨、硬碳和软碳其中之一。
本发明的有益效果是：
本发明为了避免充电电压对直流转换芯片造成损坏，设计保护电路连接在直流转换芯片的电源输出端和输入监测端之间，当输出端电压(充电电压)超过保护电路的正常工作电压时，保护电路断开，从而控制直流转换芯片断开，起到保护直流转换芯片的作用。相对于现有技术中，在直流转换芯片的输出端串联二极管的方式，本发明避免了输出回路的电压消耗，进而节省了输出回路的能量，根据实验结果表示，采用本发明的技术方案，可以使得可充电锂离子电池可用电量的有效性达到80％以上，极大地提高可充电锂离子电池的效率和可靠性。
当放电电流过大时，相对于现有技术中，在直流转换芯片的输出端串联二极管的方式，会因为二极管发热过于严重造成电池内部芯片的安全隐患，采用本发明的技术方案后，输出回路中未串联二极管，即使在放电电路过大的情况下，也不会因为芯片过热的问题损坏可充电锂离子电池，从而提高可充电锂离子电池的安全性和可靠性。
将线路板独立封装于外壳内成为独立的芯体充放电控制装置，从而优化充放电控制装置，使得充放电控制装置的体积减小，便于单独携带。芯体和充放电控制装置分离后，可以分别进行流水线生产，进而提高可充电锂离子电池的整体加工效率，降低生产成本。
附图说明
图1示出可充电电池的电路原理图；
图2示出本发明可充电锂离子电池的电路原理示意图；
图3示出本发明可充电锂离子电池的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的可充电锂离子电池。
为了提高可充电锂离子电池的整体效率，本发明利用充电反向电压对直流转换芯片进行保护。提出一种可充电锂离子电池，包括外壳、芯体和用于控制所述芯体充放电的线路板。
其中，芯体可以采用锂离子电池芯，电池芯的输出电压大于等于2.5V，可选的，电池芯的输出电压为2.5V～3.5V或者3V～4V。可选的，电池芯的正极材料可以包括但不限于磷酸亚铁锂(LiFePO4)、锂锰氧化物(LiMn2O4)、锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍钴氧化物(LiNi0.8Co0.2O2)、锂镍锰钴氧化物(Li Ni1/3Mn1/3Co1/3O2)的一种或几种；电池芯的负极材料可以包括但不限于能够可逆嵌锂的硅基合金、锡基合金、石墨、硬碳或软碳的一种或几种。
请参阅图2，线路板上包括放电电路21和充电电路22。
其中，所述放电电路包括：
放电监测电路，用于监测所述芯体的电压，所述放电监测电路的输入端与所述芯体输出端相连。具体的，放电监测电路可以包括分压电阻R1、R2，分压电阻R1、R2，串联后一端接芯体正极，另一端接芯体负极，分压电阻R1、R2可以对芯体的电压进行分压，从而监测芯体的电压，分压的输出端也就是分压电阻R1、R2的连接端。
直流转换芯片，用于降低所述芯体的输出电压，所述直流转换芯片的输入监测端与所述放电监测电路的输出端相连，所述直流转换芯片的电源输入端与所述芯体输出端相连；所述直流转换芯片的电源输出端作为所述可充电锂离子电池的输出。具体的，直流转换芯片可以为DC/DC电压转换装置，把芯体2.5V以上的输出电压降低并稳定在1.5V输出平台。例如，可以采用降压型控制器U1，降压型控制器U1的1脚是电源输入端，2脚是电源负极接地，3脚是输入电源监测端，4脚是电源输出端。直流转换芯片的输入电压范围比较宽，一般涵盖芯体的正常电压范围。当输入监测端施加电压低于关闭阈值时就关闭输出，高于启动阈值时启动输出。输入监测端的电压通过分压电阻R1、R2进行控制的。针对不同种类的锂离子电池，可以改变两个电阻的阻值来设置合适的启动与停止电压。
进一步的，放电电路还可以包括滤波电路，所述直流转换芯片的电源输出端通过所述滤波电路滤波后作为所述可充电锂离子电池的输出。具体的，滤波电路可以包括滤波电感L和滤波电容C2，滤波电感L串联在降压型控制器U1的4脚和放电电路的输出正端(可充电锂离子电池的输出正端)之间，滤波电容C2一端接放电电路的输出正端，另一端接放电电路的输出负端(可充电锂离子电池的输出负端)。
进一步的，放电电路还可以包括旁路电容，所述旁路电容的一端与所述直流转换芯片的电源输入端相连，所述旁路电容的另一端接地。旁路电容用于消除直流转换芯片工作中的高频噪声，保证直流转换芯片的正常工作，具体的，可以采用旁路电容C1，旁路电容C1的一端与降压型控制器U1的1脚相连，另一端与降压型控制器U1的2脚相连。
充电过程必须考虑的是直流转换芯片的安全问题，因为充电时，是在放电电路的输出端加上约4V的充电电压，如果放电电路的输出没有被切断，直流转换芯片会被反向流入的充电电流烧毁。现有技术的做法是如中国专利200820093303.2所述的在放电电路的输出正端接一个反向二极管，这个方法虽然简单，但是会极大地降低电池的放电能力，电池近三分之一的存储能量因此而浪费，在大电流放电情况下还会带来严重的发热问题。本实施例中的充电电路包括：
充电二极管，所述充电二极管的输入端与所述直流转换芯片的电源输出端相连，所述充电二极管的输出端与所述芯体的输出端相连；具体的，充电二极管可以选整流二极管D1。
保护电路，所述保护电路的一端与所述直流转换芯片的电源输出端相连，所述保护电路的另一端与所述直流转换芯片的输入监测端相连，用于通过对所述直流转换芯片输出端电压的检测，控制所述直流转换芯片的通断。
优选地，所述保护电路包括第一分压电阻、第二分压电阻和保护三极管，其中：
所述第一分压电阻和第二分压电阻串联，所述第一分压电阻的另一端与所述直流转换芯片的输出端相连，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻的连接端与所述保护三极管的基极相连，所述第二分压电阻的另一端与所述保护三极管的发射极相连，所述保护三极管的集电极与所述直流转换芯片的输入监测端相连。
当放电电路输出端施加充电电压时，第一分压电阻和第二分压电阻之间的连接端电压升高，保护三极管导通，使直流转换芯片输入监测端的电压降低到启动阈值以下，芯片停止工作并且断开输出，从而达到保护直流转换芯片的目的。当放电电路输出端没有施加充电电压时，保护三极管处于截止状态，直流转换芯片正常工作。这种设计方法使电路的结构简化，效率提高，可靠性得到极大提高。
具体的，保护三极管T1可以采用NPN型三极管，T1的集电极接U1的3脚，T1的发射极接接U1的2脚，第一分压电阻和第二分压电阻R3、R4串联后一端接放电电路输出正端(B)，另一端接输出负端(B’)。R3、R4之间的连接端接T1的基极。采用电阻分压来控制保护三极管。当B、B’端施加充电电压时，第一分压电阻和第二分压电阻R3、R4之间的连接端电压升高，三极管T1导通，使U1的3脚电压降低到启动阈值以下，U1停止工作并且断开输出，从而使充电电流不能流入U1，保护了放电电路。当没有充电电压施加在B、B’端时，保护三极管处于截止状态，U1正常工作。
通过设置第一分压电阻和第二分压电阻的比值不同，可以设置不同的关闭电压，启动电压可以比关闭电压略高0.3V至0.5V。对于2.5V以上输出的芯体，关闭输出电压可以设置在2.6V左右，启动电压可以设置在3V左右。
进一步的，芯体6和线路板2可以封装于外壳内。请参阅图3，具体的，电池外壳可以包括正极上盖板1、密封圈3、防爆阀4、连接片5和负极金属外壳7，其中：
正极上盖板1、线路板2、密封圈3、防爆阀4、连接片5和芯体6置于负极金属外壳7内的空腔中。
密封圈3的内壁上部沿径向向内延伸形成第一部件31，密封圈3的顶部外缘沿轴向向上延伸后形成第二部件32，第一部件31和第二部件32之间形成容置腔33。
正极上盖板1、线路板2和防爆阀4从上至下顺次置于容置腔33内。
连接片5的顶部外缘与密封圈3的第一部件31的底部相接触，防爆阀4的中部向下弯曲穿过密封圈3的第一部件31后与连接片5的顶部焊接连接。
芯体6密封于连接片5和负极金属外壳7之间。芯体6的正极与连接片5紧密导电接触。芯体6的负极与负极金属外壳7紧密导电接触。
电气连接上，可充电锂离子电池的输出正端与正极上盖板相连接，可充电锂离子电池的输出负端与负极金属外壳相连接。
优选地，线路板可以独立封装于外壳内。将线路板独立封装于外壳内成为独立的芯体充放电控制装置，从而优化充放电控制装置，使得充放电控制装置的体积减小，便于单独携带。芯体和充放电控制装置分离后，可以分别进行流水线生产，进而提高可充电锂离子电池的整体加工效率，降低生产成本。
具体应用举例，以直流转换芯片UI采用LM3671(LM3671是有五个管脚的贴片芯片，它是一款可以将3V左右电压转变为1.5V电压的降压型控制器)、分压电阻R1＝270千欧、分压电阻R2＝100千欧，U1的启动工作电压设置在3V左右，停止工作电压在2.6V左右，旁路电容C1采用1uF，充电二极管D1采用型号为IN4007的整流二极管，保护三级管T1采用常规型号1815的NPN型三极管为例进行说明。
U1的1脚(电源正)接芯体的正极，2脚(电源负)接芯体的负极，3脚是输入电源监测脚。通过分压电阻R1、R2对芯体电压进行分压，与U1的3脚相接，控制芯片的启动电压。
放电电路的旁路电容C1一端接U1的1脚。旁路电容另一端接U1的2脚，目的是消除直流转换芯片工作中的高频噪声，保证芯片正常工作。采用1uF的电容可以有效消除开关工作产生电路噪声对芯片的影响。
U1的转换输出端(4脚)通过滤波电感L和滤波电容C输出1.5V电压。滤波电感L两端串接在U1的4脚和放电电路的输出正端之间。滤波电容C一端接输出正端，另一端接输出负端。充电电路包括充电二极管D1，充电电压监测的第一分压电阻R3、第二分压电阻R4，以及保护三极管T1。
充电二极管D1和放电电路反并联，充电二极管正极与放电电路的输出正端(B)相连接，二极管负极与放电电路的IC输入电源正脚(A)相连接。充电时，充电电流直接经过二极管对芯体充电。
充电过程必须考虑芯片的安全问题，充电电流不可以进入放电电路。保护三级管T1的集电极接U1的3脚。T1的发射极接接U1的2脚。充电电压监测的分压电阻R3、R4串联后一端接放电电路输出正端(B)，另一端接输出负端(B’)。R3、R4之间的连接端接T1的基极。采用电阻分压来控制保护三极管。当B、B’端施加充电电压时，分压电阻R3、R4之间的连接端电压升高，三极管T1导通，使U1的3脚电压降低到启动阈值以下，芯片停止工作并且断开输出，从而使充电电流不能流入U1，保护了放电电路。当没有充电电压施加在B、B’端时，保护三极管处于截止状态，芯片正常工作。
尽管以上参照具体实施方式详细描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，在本文的教示下可以对本发明作出各种修改和变形，而不脱离本发明的实质和范围。

Claims (9)

1.一种可充电锂离子电池，包括外壳、芯体和用于控制所述芯体充放电的线路板，所述线路板上包括放电电路和充电电路，其特征在于，所述放电电路包括：
放电监测电路，用于监测所述芯体的电压，所述放电监测电路的输入端与所述芯体输出端相连；
直流转换芯片，用于降低所述芯体的输出电压，所述直流转换芯片的输入监测端与所述放电监测电路的输出端相连，所述直流转换芯片的电源输入端与所述芯体输出端相连；所述直流转换芯片的电源输出端作为所述可充电锂离子电池的输出；
所述充电电路包括：
充电二极管，所述充电二极管的输入端与所述直流转换芯片的电源输出端相连，所述充电二极管的输出端与所述芯体的输出端相连；
保护电路，所述保护电路的一端与所述直流转换芯片的电源输出端相连，所述保护电路的另一端与所述直流转换芯片的输入监测端相连，用于通过对所述直流转换芯片输出端电压的检测，控制所述直流转换芯片的通断。
2.根据权利要求1所述的可充电锂离子电池，其特征在于，所述保护电路包括第一分压电阻、第二分压电阻和保护三极管，其中：
所述第一分压电阻和第二分压电阻串联，所述第一分压电阻的另一端与所述直流转换芯片的输出端相连，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻的连接端与所述保护三极管的基极相连，所述第二分压电阻的另一端与所述保护三极管的发射极相连，所述保护三极管的集电极与所述直流转换芯片的输入监测端相连。
3.根据权利要求1所述的可充电锂离子电池，其特征在于，所述放电电路还包括滤波电路，所述直流转换芯片的电源输出端通过所述滤波电路滤波后作为所述可充电锂离子电池的输出。
4.根据权利要求1所述的可充电锂离子电池，其特征在于，所述放电电路还包括旁路电容，所述旁路电容的一端与所述直流转换芯片的电源输入端相连，所述旁路电容的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的可充电锂离子电池，其特征在于，所述直流转换芯片为DC/DC电压转换装置。
6.根据权利要求1至5任一项所述的可充电锂离子电池，其特征在于，所述芯体和所述线路板封装于所述外壳内。
7.根据权利要求1至5任一项所述的可充电锂离子电池，其特征在于，所述线路板独立封装于所述外壳内。
8.根据权利要求1至5任一项所述的可充电锂离子电池，其特征在于，所述芯体的正极材料至少包括磷酸亚铁锂、锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍钴氧化物和锂镍锰钴氧化物其中之一。
9.根据权利要求1至5任一项所述的可充电锂离子电池，其特征在于，所述芯体的负极材料至少包括可逆嵌锂的硅基合金、锡基合金、石墨、硬碳和软碳其中之一。
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