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锂电池保护电路工作原理,锂电池保护电路设计

来源:锂电池厂家?编辑:admin??发布时间:2020-04-07 18:12:08??阅读数:

锂电池之所以需要保护,是有与它本身的特性决定的。锂电池保护的重要元素是锂电池保护板,锂电池保护板是对串联锂电池组的充放电保护。在锂电池充满电时能保证各单体电池之间的电压差异小于设定值(一般±20mV),实现电池组各单体电池的均充,有效地改善了串联充电方式下的充电效果;同时检测电池组中各个单体电池的过压、欠压、过流、短路、过温状态,保护并延长电池使用寿命;欠压保护使每一单节电池在放电使用时避免电池因过放电而损坏。

锂电池保护板

锂电池保护电路工作原理

锂电池的保护功能通常由保护电路板和PTC协同完成,保护板由电子元件组成,在-40℃~+85℃的环境下时刻准确地监视电芯的电压和充放电回路的电流,并及时控制电流回路的通断;PTC的主要作用是在高温环境下进行保护,防止电池发生燃烧、爆炸等恶性事故。

保护电路通常由控制IC、MOs开关管、熔断保险丝、电阻、电容等元件组成。正常的情况下,控制IC输出信号控制MOs开关管导通,使电芯与外电路导通,当电芯电压或回路电流超过规定值时,它马上控制MOS管关断,以保护电芯的安全。

锂电池保护电路工作原理

R1:基准供电电阻;与IC内部电阻构成分压电路,控制内部过充、过放电压比较器的电平翻转;一般在阻值为330Ω、470Ω比较多;

当封装形式(即用标准元件的长和宽来表示元件大小,如0402封装标识此元件的长和宽分别为1.0mm和0.5mm)较大时,会用数字标识其阻值,如贴片电阻上数字标识473, 即表示其阻值为47000Ω即47KΩ(第三位数表示在前两位后面加0的位数)。

R2:过流、短路检测电阻;通过检测VM端电压控制保护板的电流 ,焊接不良、损坏会造成电池过流 、短路无保护,一般阻值为1KΩ、2KΩ较多。

R3:ID识别电阻或NTC电阻(前面有先容)或两者都有。

1、正常状态

在正常状态下电路中N1的“CO”与“DO”脚都输出高电压,两个MOSFET都处于导通状态,锂电池可以自由地进行充电和放电,由于MOSFET的导通阻抗很小,通常小于30毫欧,因此其导通电阻对电路的性能影响很小。此状态下保护电路的消耗电流为μA级,通常小于7μA。

2、过充电保护

锂电池要求的充电方式为恒流/恒压,在充电初期,为恒流充电,随着充电过程,电压会上升到4.2V(根据正极材料不同,有的电池要求恒压值为4.1V),转为恒压充电,直至电流越来越小。

电池在被充电过程中,如果充电器电路失去控制,会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电,此时电池电压仍会继续上升,当电池电压被充电至超过4.3V时,电池的化学副反应将加剧,会导致电池损坏或出现安全问题。

在带有保护电路的电池中,当控制IC检测到电池电压达到4.28V时,其“CO”脚将由高电压转变为零电压,使V2由导通转为关断,从而切断了充电回路,使充电器无法再对锂电池进行充电,起到过充电保护作用。而此时由于V2自带的体二极管VD2的存在,电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间,还有一段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,通常设为1秒左右,以避免因干扰而造成误判断。

3、过放电保护

锂电池在对外部负载放电过程中,其电压会随着放电过程逐渐降低,当电池电压降至2.5V时,其容量已被完全放光,此时如果让电池继续对负载放电,将造成电池的永久性损坏。

在电池放电过程中,当控制IC检测到电池电压低于2.3V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,其“DO”脚将由高电压转变为零电压,使V1由导通转为关断,从而切断了放电回路,使电池无法再对负载进行放电,起到过放电保护作用。而此时由于V1自带的体二极管VD1的存在,充电器可以通过该二极管对电池进行充电。

由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低,因此要求保护电路的消耗电流极小,此时控制IC会进入低功耗状态,整个保护电路耗电会小于0.1μA。在控制IC检测到锂电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间,也有一段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,通常设为100毫秒左右,以避免因干扰而造成误判断。

4、过电流保护

由于锂离子电池的化学特性,锂电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C(C=电池容量/小时),当电池超过2C电流放电时,将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。

电池在对负载正常放电过程中,放电电流在经过串联的2个MOSFET时,由于MOSFET的导通阻抗,会在其两端产生一个电压,该电压值U=I*RDS*2,RDS为单个MOSFET导通阻抗,控制IC上的“V-”脚对该电压值进行检测,若负载因某种原因导致异常,使回路电流增大,当回路电流大到使U>0.1V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,其“DO”脚将由高电压转变为零电压,使V1由导通转为关断,从而切断了放电回路,使回路中电流为零,起到过电流保护作用。

在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间,也有一段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,通常为13毫秒左右,以避免因干扰而造成误判断。

5、短路保护

锂电池在对负载放电过程中,若回路电流大到使U>0.9V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,控制IC则判断为负载短路,其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压,使V1由导通转为关断,从而切断放电回路,起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短,通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似,只是判断方法不同,保护延时时间也不一样。

锂电池保护电路设计

由于锂电池的化学特性,在正常使用过程中,其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应,但在某些条件下,如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应,该副反应加剧后,会严重影响电池的性能与使用寿命,并可能产生大量气体,使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题,因此所有的锂电池都需要一个保护电路,用于对电池的充、放电状态进行有效监测,并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。

锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流/短路保护和过放电保护,要求过充电保护高精密度、保护IC功耗低、高耐压以及零伏可充电等特性。

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