鋰電池保護電路辦法設計

鋰電池非得考慮充電、放電時的安全性,以戒備特性劣化。但鋰電池能量密度高,難以確保電池的安全性,在過度充電狀態下,電池溫度上升后能量將過剩,于是電解液分析而出現氣體,容易使內壓上升而出現自燃或破碎的危險;反之,在過度放電狀態下,電解液因分析導致電池特性及耐久性劣化,降低可充電次數。因此鋰電池的過充、過度放電、過電流及短路保護很緊要,所以通常都會在電池組內設計保護線路,用以保護鋰電池。

1電路設計

1.1電路概述

鋰電池保護電路包括過度充電保護、過電流/短路保護和過放電保護等,該電路就是要確保這樣的過度充電及放電狀態時的安全,并戒備特性劣化。它緊要由集成保護電路IC、貼片電阻、貼片電容、場效應管(MOSFET)、有的還有熱敏電阻(NTC)、識別電阻(ID)、保險絲(FUSE)等構成。其電路圖如圖1所示。

圖1鋰電池保護電路圖

其中集成保護電路IC用來測試保護電路當前的電壓、電流、時間等參數以此來控制場效應管的開關狀態;場效應管(MOSFET)則依據保護IC來控制回路中是不是有需開或關;貼片電阻用作限流;貼片電容用途為濾波、調節延遲時間;熱敏電阻用來測試電池塊內的環境溫度;保險絲戒備流過電池的電流過大,切斷電流回路。

1.2電路原理及參數確定

1.2.1過度充電保護

當充電器對鋰電池過度充電時,鋰電池會因溫度上升而導致內壓上升,需終止當前充電的狀態。此時,集成保護電路IC需測試電池電壓,當到達4.25V時(假設電池過充電壓臨界點為4.25V)即激活過度充電保護,將功率MOS由開轉為切斷,進而截止充電。另外,為戒備由于噪音所出現的過度充電而誤判為過充保護,因此要設定延遲時間,并且延遲時間不能短于噪音的繼續時間以免誤判。過充電保護延時時間tvdet1計算公式為:

tvdet1={C3(Vdd-0.7)}/(0.4810-6)(1)

式中:Vdd為保護N1的過充電測試電壓值。

簡便計算延時時間:t=C3/0.0177(ms)(2)

如若C3容值為0.22F,則延時值為:0.22/0.0177=1694(ms)

1.2.2過度放電保護

在過度放電的情況下,電解液因分析而導致電池特性劣化,并造成充電次數的降低。過度放電保護IC原理:為了戒備鋰電池的過度放電狀態,假設鋰電池接上負載,當鋰電池電壓低于其過度放電電壓測試點(假定為2.3V)時將激活過度放電保護,使功率MOSFET由開轉變為切斷而截止放電,以戒備電池過度放電現象出現,并將電池保持在低靜態電流的待機模式,此時的電流僅0.1A。當鋰電池接上充電器,且此時鋰電池電壓高于過度放電電壓時,過度放電保護功能方可解除。另外,考慮到脈沖放電的情況,過放電測試電路設有延遲時間以戒備出現誤動作。

1.2.3過電流及短路電流保護

因為不明原由(放電時或正負極遭金屬物誤觸)造成過電流或短路,為確保安全,非得使其立即停止放電。過電流保護IC原理為,當放電電流過大或短路情況出現時,保護IC將激活過(短路)電流保護,此時過電流的測試是將功率MOSFET的Rds(on)當成感應阻抗用以監測其電壓的下降情形,倘若比所定的過電流測試電壓還高則停止放電,運算公式為:

V_=IRds(on)2(V_為過電流測試電壓,I為放電電流)(3)假設V_=0.2V,Rds(on)=25mΩ,則保護電流的大小為I=4A。

同樣,過電流測試也非得設有延遲時間以防有突發電流流入時出現誤動作。通常在過電流出現后,若能去除過電流因素(例如馬上與負載脫離),將會恢復其正常狀態,可以再進行正常的充放電動作。

2結束語

在進行保護電路設計時使電池充電到飽滿的狀態是使用者很關心的問題,同時兼顧到安全性問題,因此要在達到容許電壓時截止充電狀態。要同時符合這兩個條件,非得有高精密度的測試器,目前測試器的精密度為25mV。另外還非得考慮到集成保護電路IC功耗、耐高電壓問題。此外為了使功率MOSFET的Rds(on)在充電電流與放電電流時有效使用,需使該阻抗值盡量低,目前該阻抗約為20～30mΩ,這樣過電流測試電壓就可較低。

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