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    鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源

    鋰離子電池保護電路工作原理,鋰離子電池保護電路設計

    2021-06-10 ryder

    鋰離子電池保護電路工作原理,鋰離子電池保護電路設計。鋰離子電池(可充型)之所以需要保護,是由它本身特性決定的。由于鋰離子電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電,因此鋰離子電池總會跟著一塊精致的保護板和一片電流保險器出現。


    鋰離子電池保護電路工作原理


    鋰離子電池的保護功能通常由保護電路板和PTC協同完成,保護板由電子元件組成,在-40℃~+85℃的環境下時刻準確地監視電芯的電壓和充放電回路的電流,并及時控制電流回路的通斷;PTC的主要作用是在高溫環境下進行保護,戒備電池發生燃燒、爆炸等惡性事故。


    保護電路通常由控制IC、MOs開關管、熔斷保險絲、電阻、電容等元件組成,如圖2所示。正常的情況下,控制IC輸出信號控制MOs開關管導通,使電芯與外電路導通,當電芯電壓或回路電流超過規定值時,它立即控制MOS管關斷,以保護電芯的安全。


    1、正常狀態


    在正常狀態下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓,兩個MOSFET都處于導通狀態,鋰離子電池可以自由地進行充電和放電,由于MOSFET的導通阻抗很小,通常小于30毫歐,因此其導通電阻對電路的性能影響很小。此狀態下保護電路的消耗電流為μA級,通常小于7μA。


    2、過充電保護


    鋰離子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,電壓會上升到4.2V(依據正極材料不同,有的電池要求恒壓值為4.1V),轉為恒壓充電,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,會使電池電壓超過4.2V后持續恒流充電,此時電池電壓仍會持續上升,當電池電壓被充電至超過4.3V時,電池的化學副反應將加劇,會導致電池損壞或出現安全問題。


    在帶有保護電路的電池中,當控制IC測試到電池電壓達到4.28V時,其“CO”腳將由高電壓轉變為零電壓,使V2由導通轉為關斷,從而切斷了充電回路,使充電器無法再對鋰離子電池進行充電,起到過充電保護作用。而此時由于V2自帶的體二極管VD2的存在,電池可以通過該二極管對外部負載進行放電。在控制IC測試到電池電壓超過4.28V至發出關斷V2信號之間,還有一段延時時間,該延時時間的長短由C3決定,通常設為1秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。


    3、過放電保護


    鋰離子電池在對外部負載放電過程中,其電壓會隨著放電過程逐漸降低,當電池電壓降至2.5V時,其容量已被完全放光,此時如果讓電池持續對負載放電,將造成電池的永久性損壞。


    在電池放電過程中,當控制IC測試到電池電壓低于2.3V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時,其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓,使V1由導通轉為關斷,從而切斷了放電回路,使電池無法再對負載進行放電,起到過放電保護作用。而此時由于V1自帶的體二極管VD1的存在,充電器可以通過該二極管對電池進行充電。


    由于在過放電保護狀態下電池電壓不能再降低,因此要求保護電路的消耗電流極小,此時控制IC會進入低功耗狀態,整個保護電路耗電會小于0.1μA。在控制IC測試到鋰離子電池電壓低于2.3V至發出關斷V1信號之間,也有一段延時時間,該延時時間的長短由C3決定,通常設為100毫秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。


    4、過電流保護


    由于鋰電池的化學特性,鋰離子電池加工廠家規定了其放電電流最大不能超過2C(C=電池容量/小時),當電池超過2C電流放電時,將會導致電池的永久性損壞或出現安全問題。


    電池在對負載正常放電過程中,放電電流在經過串聯的2個MOSFET時,由于MOSFET的導通阻抗,會在其兩端萌生一個電壓,該電壓值U=I*RDS*2,RDS為單個MOSFET導通阻抗,控制IC上的“V-”腳對該電壓值進行測試,若負載因某種原由導致異常,使回路電流增大,當回路電流大到使U>0.1V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時,其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓,使V1由導通轉為關斷,從而切斷了放電回路,使回路中電流為零,起到過電流保護作用。


    在控制IC測試到過電流發生至發出關斷V1信號之間,也有一段延時時間,該延時時間的長短由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


    鋰離子電池在對負載放電過程中,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,控制IC則判斷為負載短路,其“DO”腳將迅速由高電壓轉變為零電壓,使V1由導通轉為關斷,從而切斷放電回路,起到短路保護作用。短路保護的延時時間極短,通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護類似,只是判斷辦法不同,保護延時時間也不一樣。


    鋰離子電池保護電路設計


    由于鋰離子電池的化學特性,在正常使用過程中,其內部進行電能與化學能相互轉化的化學正反應,但在某些條件下,如對其過充電、過放電和過電流將會導致電池內部發生化學副反應,該副反應加劇后,會嚴重影響電池的性能與使用壽命,并可能萌生大量氣體,使電池內部壓力迅速增大后爆炸而導致安全問題,因此所有的鋰離子電池都需要一個保護電路,用于對電池的充、放電狀態進行有效監測,并在某些條件下關斷充、放電回路以戒備對電池發生損害。


    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,要求過充電保護高精密度、保護IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。


    總結:鋰離子電池充電電路和保護電路設計的緊要性。以鋰離子電池為供電電源的電路設計中,要求將越來越復雜的混合信號系統集成到一個小面積芯片上,這必然給數字、模擬電路提出了低壓、低功耗問題。所以,鋰離子電池充電電路和保護電路設計就顯得十分緊要。

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