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詳解鋰電池保護板原理

鉅大LARGE  |  點擊量:25969次  |  2018年05月27日  

摘要
鋰電池(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,因此鋰電池鋰電組件總會跟著一塊精致的保護板和一片電流保險器出現。

  鋰電池(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,因此鋰電池鋰電組件總會跟著一塊精致的保護板和一片電流保險器出現。


  鋰電池保護功能


  鋰電池的保護功能通常由保護電路板和PTC等電流器件協同完成,保護板是由電子電路組成,在-40℃至+85℃的環境下時刻準確的監視電芯的電壓和充放回路的電流,及時控制電流回路的通斷;PTC在高溫環境下防止電池發生惡劣的損壞。


  普通鋰電池保護板通常包括控制IC、MOS開關、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存儲器等。其中控制IC,在一切正常的情況下控制MOS開關導通,使電芯與外電路導通,而當電芯電壓或回路電流超過規定值時,它立刻控制MOS開關關斷,保護電芯的安全。


  在保護板正常的情況下,Vdd為高電平,Vss,VM為低電平,DO、CO為高電平,當Vdd,Vss,VM任何一項參數變換時,DO或CO端的電平將發生變化。


  鋰電池保護板原理


  鋰電池(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,因此鋰電池鋰電組件總會跟著一塊精致的保護板和一片電流保險器出現。


  鋰電池的保護功能通常由保護電路板和PTC等電流器件協同完成,保護板是由電子電路組成,在-40℃至+85℃的環境下時刻準確的監視電芯的電壓和充放回路的電流,及時控制電流回路的通斷;PTC在高溫環境下防止電池發生惡劣的損壞。


  普通鋰電池保護板通常包括控制IC、MOS開關、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存儲器等。其中控制IC,在一切正常的情況下控制MOS開關導通,使電芯與外電路導通,而當電芯電壓或回路電流超過規定值時,它立刻控制MOS開關關斷,保護電芯的安全。


  鋰電池保護板原理詳細分析


  在保護板正常的情況下,Vdd為高電平,Vss,VM為低電平,DO、CO為高電平,當Vdd,Vss,VM任何一項參數變換時,DO或CO端的電平將發生變化。


  1、過充電檢出電壓:在通常狀態下,Vdd逐漸提升至CO端由高電平變為低電平時VDD-VSS間電壓。


  2、過充電解除電壓:在充電狀態下,Vdd逐漸降低至CO端由低電平變為高電平時VDD-VSS間電壓。


  3、過放電檢出電壓:通常狀態下,Vdd逐漸降低至DO端由高電平變為低電平時VDD-VSS間電壓。


  4、過放電解除電壓:在過放電狀態下,Vdd逐漸上升到DO端由低電平變為高電平時VDD-VSS間電壓。


  5、過電流1檢出電壓:在通常狀態下,VM逐漸升至DO由高電平變為低電平時VM-VSS間電壓。


  6、過電流2檢出電壓:在通常狀態下,VM從OV起以1ms以上4ms以下的速度升到DO端由高電平變為低電平時VM-VSS間電壓。


  7、負載短路檢出電壓:在通常狀態下,VM以OV起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高電平變為低電平時VM-VSS間電壓。


  8、充電器檢出電壓:在過放電狀態下,VM以OV逐漸下降至DO由低電平變為變為高電平時VM-VSS間電壓。


  9、通常工作時消耗電流:在通常狀態下,流以VDD端子的電流(IDD)即為通常工作時消耗電流。


  10、過放電消耗電流:在放電狀態下,流經VDD端子的電流(IDD)即為過流放電消耗電流。


  典型的鋰電池保護電路


  由于鋰電池的化學特性,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,并可能產生大量氣體,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、放電回路以防止對電池發生損害


  下圖為一個典型的鋰電池保護電路原理圖。

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  鋰電池保護板原理詳細分析


  如上圖所示,該保護回路由兩個MOSFET(V1、V2)和一個控制IC(N1)外加一些阻容元件構成??刂疲桑秘撠煴O測電池電壓與回路電流,并控制兩個MOSFET的柵極,MOSFET在電路中起開關作用,分別控制著充電回路與放電回路的導通與關斷,C3為延時電容,該電路具有過充電保護、過放電保護、過電流保護與短路保護功能,其工作原理分析如下:


 ?。?、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,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。


 ?。?、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(根據正極材料不同,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后繼續恒流充電,此時電池電壓仍會繼續上升,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檢測到電池電壓達到4.28V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)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檢測到電池電壓超過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。


 ?。?、短路保護


  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,只是判斷方法不同,保護延時時間也不一樣。除了控制IC外,電路中還有一個重要元件,就是MOSFET,它在電路中起著開關的作用,由于它直接串接在電池與外部負載之間,因此它的導通阻抗對電池的性能有影響,當選用的MOSFET較好時,其導通阻抗很小,電池包的內阻就小,帶載能力也強,在放電時其消耗的電能也少。


 ?。?、過電流保護


  由于鋰離子電池的化學特性,電池生產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,會在其兩端產生一個電壓,該電壓值U=I*RDS*2,RDS為單個MOSFET導通阻抗,控制IC上的“V-”腳對該電壓值進行檢測,若負載因某種原因導致異常,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檢測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。在上述控制過程中可知,其過電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值,還取決于MOSFET的導通阻抗,當MOSFET導通阻抗越大時,對同樣的控制IC,其過電流保護值越小。


 ?。?、過放電保護


  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,此時如果讓電池繼續對負載放電,將造成電池的永久性損壞。在電池放電過程中,當控制IC檢測到電池電壓低于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檢測到電池電壓低于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.


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