鋰電池保護(hù)電路工作原理,鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)
鋰電池之所以需要保護(hù),是有與它本身的特性決定的。鋰電池保護(hù)的重要元素是鋰電池保護(hù)板,鋰電池保護(hù)板是對(duì)串聯(lián)鋰電池組的充放電保護(hù)。在鋰電池充滿電時(shí)能保證各單體電池之間的電壓差異小于設(shè)定值(一般±20mV),實(shí)現(xiàn)電池組各單體電池的均充,有效地改善了串聯(lián)充電方式下的充電效果;同時(shí)檢測(cè)電池組中各個(gè)單體電池的過壓、欠壓、過流、短路、過溫狀態(tài),保護(hù)并延長(zhǎng)電池使用壽命;欠壓保護(hù)使每一單節(jié)電池在放電使用時(shí)避免電池因過放電而損壞。
鋰電池保護(hù)電路工作原理
鋰電池的保護(hù)功能通常由保護(hù)電路板和PTC協(xié)同完成,保護(hù)板由電子元件組成,在-40℃~+85℃的環(huán)境下時(shí)刻準(zhǔn)確地監(jiān)視電芯的電壓和充放電回路的電流,并及時(shí)控制電流回路的通斷;PTC的主要作用是在高溫環(huán)境下進(jìn)行保護(hù),防止電池發(fā)生燃燒、爆炸等惡性事故。
保護(hù)電路通常由控制IC、MOs開關(guān)管、熔斷保險(xiǎn)絲、電阻、電容等元件組成。正常的情況下,控制IC輸出信號(hào)控制MOs開關(guān)管導(dǎo)通,使電芯與外電路導(dǎo)通,當(dāng)電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時(shí),它立即控制MOS管關(guān)斷,以保護(hù)電芯的安全。
R1:基準(zhǔn)供電電阻;與IC內(nèi)部電阻構(gòu)成分壓電路,控制內(nèi)部過充、過放電壓比較器的電平翻轉(zhuǎn);一般在阻值為330Ω、470Ω比較多;
當(dāng)封裝形式(即用標(biāo)準(zhǔn)元件的長(zhǎng)和寬來表示元件大小,如0402封裝標(biāo)識(shí)此元件的長(zhǎng)和寬分別為1.0mm和0.5mm)較大時(shí),會(huì)用數(shù)字標(biāo)識(shí)其阻值,如貼片電阻上數(shù)字標(biāo)識(shí)473, 即表示其阻值為47000Ω即47KΩ(第三位數(shù)表示在前兩位后面加0的位數(shù))。
R2:過流、短路檢測(cè)電阻;通過檢測(cè)VM端電壓控制保護(hù)板的電流 ,焊接不良、損壞會(huì)造成電池過流 、短路無保護(hù),一般阻值為1KΩ、2KΩ較多。
R3:ID識(shí)別電阻或NTC電阻(前面有介紹)或兩者都有。
1、正常狀態(tài)
在正常狀態(tài)下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓,兩個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài),鋰電池可以自由地進(jìn)行充電和放電,由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小,通常小于30毫歐,因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí),通常小于7μA。
2、過充電保護(hù)
鋰電池要求的充電方式為恒流/恒壓,在充電初期,為恒流充電,隨著充電過程,電壓會(huì)上升到4.2V(根據(jù)正極材料不同,有的電池要求恒壓值為4.1V),轉(zhuǎn)為恒壓充電,直至電流越來越小。
電池在被充電過程中,如果充電器電路失去控制,會(huì)使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電,此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升,當(dāng)電池電壓被充電至超過4.3V時(shí),電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇,會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。
在帶有保護(hù)電路的電池中,當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.28V時(shí),其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?,使V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了充電回路,使充電器無法再對(duì)鋰電池進(jìn)行充電,起到過充電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V2自帶的體二極管VD2的存在,電池可以通過該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行放電。在控制IC檢測(cè)到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號(hào)之間,還有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定,通常設(shè)為1秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。
3、過放電保護(hù)
鋰電池在對(duì)外部負(fù)載放電過程中,其電壓會(huì)隨著放電過程逐漸降低,當(dāng)電池電壓降至2.5V時(shí),其容量已被完全放光,此時(shí)如果讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電,將造成電池的永久性損壞。
在電池放電過程中,當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時(shí),其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了放電回路,使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電,起到過放電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V1自帶的體二極管VD1的存在,充電器可以通過該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。
由于在過放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低,因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小,此時(shí)控制IC會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài),整個(gè)保護(hù)電路耗電會(huì)小于0.1μA。在控制IC檢測(cè)到鋰電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間,也有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定,通常設(shè)為100毫秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。
4、過電流保護(hù)
由于鋰離子電池的化學(xué)特性,鋰電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過2C(C=電池容量/小時(shí)),當(dāng)電池超過2C電流放電時(shí),將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。
電池在對(duì)負(fù)載正常放電過程中,放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí),由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗,會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓,該電壓值U=I*RDS*2,RDS為單個(gè)MOSFET導(dǎo)通阻抗,控制IC上的“V-”腳對(duì)該電壓值進(jìn)行檢測(cè),若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓?,使回路電流增大,?dāng)回路電流大到使U>0.1V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時(shí),其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?,使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了放電回路,使回路中電流為零,起到過電流保護(hù)作用。
在控制IC檢測(cè)到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間,也有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定,通常為13毫秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。
5、短路保護(hù)
鋰電池在對(duì)負(fù)載放電過程中,若回路電流大到使U>0.9V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時(shí),控制IC則判斷為負(fù)載短路,其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?,使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷放電回路,起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短,通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護(hù)類似,只是判斷方法不同,保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不一樣。
鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)
由于鋰電池的化學(xué)特性,在正常使用過程中,其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng),但在某些條件下,如對(duì)其過充電、過放電和過電流將會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng),該副反應(yīng)加劇后,會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命,并可能產(chǎn)生大量氣體,使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導(dǎo)致安全問題,因此所有的鋰電池都需要一個(gè)保護(hù)電路,用于對(duì)電池的充、放電狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè),并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對(duì)電池發(fā)生損害。
鋰離子電池保護(hù)電路包括過度充電保護(hù)、過電流/短路保護(hù)和過放電保護(hù),要求過充電保護(hù)高精密度、保護(hù)IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。
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