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鋰電池保護板原理

發(fā)布時(shí)間:2017-05-25 瀏覽次數:0
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(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路及超高溫充放電,因此鋰電池鋰電組件總會(huì )跟著(zhù)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(xié)同完成,保護板是由電子電路組成,在-40℃至+85℃的環(huán)境下時(shí)刻準確的監視電芯的電壓和充放回路的電流,及時(shí)控制電流回路的通斷;PTC在高溫環(huán)境下防止電池發(fā)生惡劣的損壞。

  普通鋰電池保護板通常包括控制IC、MOS開(kāi)關(guān)、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(kāi)關(guān)導通,使電芯與外電路導通,而當電芯電壓或回路電流超過(guò)規定值時(shí),它立刻控制MOS開(kāi)關(guān)關(guān)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(shí),DO或CO端的電平將發(fā)生變化。

1、過(guò)充電檢出電壓:在通常狀態(tài)下,Vdd逐漸提升至CO端由高電平 變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
2、過(guò)充電解除電壓:在充電狀態(tài)下,Vdd逐漸降低至CO端由低電平 變?yōu)楦唠娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
3、過(guò)放電檢出電壓:通常狀態(tài)下,Vdd逐漸降低至D O端由高電平  變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VDD- VSS間電壓。
4、過(guò)放電解除電壓:在過(guò)放電狀態(tài)下,Vdd逐漸上升到DO端由低電平 變?yōu)楦唠娖綍r(shí) VDD-VSS間電壓 。
5、過(guò)電流1檢出電壓:在通常狀態(tài)下,VM逐漸升至DO由高電平 變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。
6、過(guò)電流2檢出電壓:在通常狀態(tài)下,VM從OV起以1ms以上4ms以下的速度升到 DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。
7、負載短路檢出電壓:在通常狀態(tài)下,VM以OV起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。
8、充電器檢出電壓:在過(guò)放電狀態(tài)下,VM以OV逐漸下降至DO由低電平變?yōu)樽優(yōu)楦唠娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。
9、通常工作時(shí)消耗電流:在通常狀態(tài)下,流以VDD端子的電流(IDD)即為通常工作時(shí)消耗電流。
10、過(guò)放電消耗電流:在放電狀態(tài)下,流經(jīng)VDD端子的電流(IDD)即為過(guò)流放電消耗電流。

1、通常狀態(tài):電池電壓在過(guò)放電檢出電壓以上(2.75V以上),過(guò)充電檢出電壓以下(4.3V以下),VM端子的電壓在充電器檢出電壓以上,在過(guò)電流/檢出電壓以下(OV)的情況下,IC通過(guò)監視連接在VDD-VSS間的電壓差及VM-VSS間的電壓差而控制MOS管,DO、CO端都為高電平,MOS管處導通狀態(tài),這時(shí)可以自由的充電和放電;
當電池被充電使電壓超過(guò)設定值VC(4.25-4.35V)后,VD1翻轉使Cout變?yōu)榈碗娖?,T1截止,充電停止,當電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V)時(shí),Cout變?yōu)楦唠娖?,T1導通充電繼續, VCR小于VC一個(gè)定值,以防止電流頻繁跳變。當電池電壓因放電而降低至設定值VD(2.3-2.5V)時(shí), VD2翻轉,以IC內部固定的短時(shí)間延時(shí)后,使Dout變?yōu)榈碗娖?,T2截止,放電停止。當電路放電電流超過(guò)設定值或輸出被短路時(shí),過(guò)流、短路檢測電路動(dòng)作,使MOS管(T2)關(guān)斷,電流截止。
該保護回路由兩個(gè)MOSFET(T1、T2)和一個(gè)控制IC(N1)外加一些阻容元件構成??刂?br /> IC負責監測電池電壓與回路電流,并控制兩個(gè)MOSFET的柵極,MOSFET在電路中起開(kāi)關(guān)作用,分別控
制著(zhù)充電回路與放電回路的導通與關(guān)斷,C2為延時(shí)電容,該電路具有過(guò)充電保護、過(guò)放電保護、過(guò)電流保
護與短路保護功能,其工作原理分析如下:
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都處于導通狀態(tài),電池可以自由地進(jìn)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(tài)下保護電路的消耗電流為μA級,通常小于7μA。
2、過(guò)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(zhù)充電過(guò)程,電壓會(huì )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(lái)越小。
電池在被充電過(guò)程中,如果充電器電路失去控制,會(huì )使電池電壓超過(guò)4.2V后繼續恒流充電,此時(shí)電池電壓仍會(huì )繼續上升,當電池電壓被充電至超過(guò)4.3V時(shí),電池的化學(xué)副反應將加劇,會(huì )導致電池損壞或出現安全問(wèn)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(shí),其“CO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?,使T1由導通轉為關(guān)斷,從而切斷了充電回路,使充電器無(wú)法再對電池進(jìn)行充電,起到過(guò)充電保護作用。而此時(shí)由于T1自帶的體二極管VD1的存在,電池可以通過(guò)該二極管對外部負載進(jìn)行放電。
在控制IC檢測到電池電壓超過(guò)4.28V至發(fā)出關(guān)斷T1信號之間,還有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短由C2決定,通常設為1秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。
3、過(guò)放電保護
電池在對外部負載放電過(guò)程中,其電壓會(huì )隨著(zhù)放電過(guò)程逐漸降低,當電池電壓降至2.5V時(shí),其容量已被完全放光,此時(shí)如果讓電池繼續對負載放電,將造成電池的******性損壞。
在電池放電過(guò)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(shí),其“DO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?,使T2由導通轉為關(guān)斷,從而切斷了放電回路,使電池無(wú)法再對負載進(jìn)行放電,起到過(guò)放電保護作用。而此時(shí)由于T2自帶的體二極管VD2的存在,充電器可以通過(guò)該二極管對電池進(jìn)行充電。
由于在過(guò)放電保護狀態(tài)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(shí)控制IC會(huì )進(jìn)入低功耗狀態(tài),整個(gè)保護電路耗電會(huì )小于0.1μA。 在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷T2信號之間,也有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短由C2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(guò)電流保護
由于鋰離子電池的化學(xué)特性,電池生產(chǎn)廠(chǎng)家規定了其放電電流******不能超過(guò)2C(C=電池容量/小時(shí)),當電池超過(guò)2C電流放電時(shí),將會(huì )導致電池的******性損壞或出現安全問(wèn)題。
電池在對負載正常放電過(guò)程中,放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí),由于MOSFET的導通阻抗,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導通阻抗,控制IC上的“V-”腳對該電壓值進(jìn)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(shí),其“DO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?,使T2由導通轉為關(guān)斷,從而切斷了放電回路,使回路中電流為零,起到過(guò)電流保護作用。
在控制IC檢測到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷T2信號之間,也有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短由C2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(guò)程中可知,其過(guò)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(shí),對同樣的控制IC,其過(guò)電流保護值越小。
5、短路保護
電池在對負載放電過(guò)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則判斷為負載短路,其“DO”腳將迅速由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?,使T2由導通轉為關(guān)斷,從而切斷放電回路,起到短路保護作用。短路保護的延時(shí)時(shí)間極短,通常小于7微秒。其工作原理與過(guò)電流保護類(lèi)似,只是判斷方法不同,保護延時(shí)時(shí)間也不一樣。