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鋰電保護原理簡述


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  由于便攜式設備已越來越普及,這類產品中有許多是采用鋰離子電池供電,而由于鋰離子電池的特性與其它可充電電池不同,自身不具有保護性,電池內部通常都帶有一塊電路板,本文將對鋰離子電池的特點及其保護電路工作原理進行闡述。
  鋰電池分為一次電池和二次電池兩類,目前在部分耗電量較低的便攜式電子產品中主要使用不可充電的一次鋰電池,而在筆記本電腦、手機、PDA、數碼相機等耗電量較大的電子產品中則使用可充電的二次電池,即鋰離子電池。
  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、放電回路以防止對電池發生損害。
  一、單節保護電路
  下圖為一個典型的單節鋰離子電池保護電路原理圖。

  如上圖所示,該保護回路由兩個MOSFET (Q1包含兩個MOSFET)和一個控制IC(IC1)外加一些阻容元件構成。控制IC負責監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,單節保護IC早期的延時電容外置在保護IC外圍電路,現在延時部分均內置在保護IC的內部,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:
  1、正常狀態
  在正常狀態下電路中IC1的“CO”(第3腳)與“DO”(第1腳)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5μA。
  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(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,我們稱為過充保護延時,時間由IC內部或外部延時電容決定,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
  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IC或外部延時電容決定,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,常規電池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>0.15V(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IC內部或外部延時電容決定,通常為13毫秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。
  注:礦業用電池要小于10毫秒,因為接觸時大電流產生的火花能致使瓦斯爆炸!
  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。
  5、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。
  以上詳細闡述了單節鋰離子電池保護電路的工作原理,多節串聯鋰離子電池的保護原理與之類似,在此不再贅述,上面電路中所用的控制IC為日本理光公司的R5402系列,在實際的電池保護電路中,還有許多其它類型的控制IC,如日本精工的S-8241/8261/8211系列、日本MITSUMI的MM3177/3077系列、臺灣富晶的FS312和DW01系列、臺灣類比科技的AAT8632系列等等,其工作原理大同小異,只是在具體參數上有所差別,有些控制IC為了節省外圍電路,將濾波電容和延時電容做到了芯片內部,其外圍電路可以很少,如日本精工的S-8241系列。
  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。
  隨著科技的發展,便攜式設備的體積越做越小,而隨著這種趨勢,對鋰離子電池的保護電路體積的要求也越來越小,在這兩年已出現了將控制IC和MOSFET整合成一顆保護IC的產品,有的廠家甚至將整個保護電路封裝成一顆小尺寸的IC,如SEIKO\MITSUMI公司的產品。
  6、關于PTC,其實PTC作為電池的第一個安全機構,當電池內的溫度上升時,PTC的阻值隨之上升,因而當電池內部的溫度過高時,會自動切斷陰極引線與陰極之間的電路。因為NI-MH電池一般在放電期間較為容易產生溫度過高現象,所以NI-MH電池一定要用PTC來做保護,否則會引起其他危險情況!而現在我們所用的LI電池1C以下電流溫度上升比較小,基本上不用PTC,但是有些高端客戶會增加PTC,來增大電池的安全系數!
  7、關于NTC,一般是配合充電器和用電設備,在檢測電池溫度過高是來關斷回路!使整個回路不在工作。一般來講充電時電池會較為容易產生溫度升高,特別是大一點的電池,充電電流較大,還有加裝加裝外殼或其他腔體內部,容易積累熱量,那么NTC就顯的極為重要!
  二、串并聯的概念
  1、串聯的概念即是電壓的累計,容量保持單體容量。
  例如單體電芯為PL383450 3.7V/1000mAh 那么四節電芯串聯電壓表現出來就是4×3.7V=14.8V,而容量則保持不變為1000mAh 整個電池表現為1000mAh/14.8V
  2、并聯的概念是容量的累計,而電壓保持單體的電壓
  例如單體電芯為PL383450 3.7V/1000mAh 那么4節電芯并聯起來表現出來的就是容量為4000mAh,電壓表現出來的就是3.7V。整個電池表現為4000mAh/3.7V
  3、裝配短路注意事項
  一般來講并聯的電池,電芯相互之間不存在短路的危險,但是多節電池裝配時就會存在裝配短路的問題!短路瞬間外表會體現打火花的現象,相互之間裝配短路是由于不等位的電勢差(也就是壓差)造成的!這里導入一個電勢差的概念,其實有電跟我們所說的電壓大小是相對而言的!比如說4節電池現在每節電壓為3.7V。那么V1為3.7V,V2為7.4V,V3為11.1V,V4為14.8V,但是相對電壓就不一樣了,V1相對于GND是3.7V,那么V4相對于V1則是11.1V,V3相對于V1是7.4V,V3相對于V2是3.7V,這些就是他們之間的相對電壓。

  串聯連接時只能是按順序連接,了解轉接板或線路板上的相對電位點,不能混接造成有相對壓差的點相連從而造成相互之間短路。
  三、兩節保護電路

  保護原理跟單節的一樣,增加了兩節電芯中間點的采樣,過流保護采樣放電端MOSFET的阻值。
  過充保護采樣引腳電池正常工作時為關閉狀態(外部表現低電平),過充狀態工作時為打開狀態(外部表現高電平)!
  第五腳位為延時電容腳位!
  四、三、四節保護電路

  下圖說明了各個腳位的定義:

  1腳為過充電壓控制腳
  2、4、6、12、14、19為空腳,沒有定義。
  3腳為過流保護控制腳
  5腳為放電保護控制腳
  7為放電延時時間調解控制腳,通過調解外部電容來調解時間
  8腳過流保護延時時間設定控制腳。通過調解外部電容來調解時間
  9腳過充保護延時時間設定控制腳。通過調解外部電容來調解時間
  10接地腳
  11腳為三節四節保護電路調解點,當此腳接電芯串聯最高點時為4節保護電路,當此腳接地時為3節電池保護電路
  13腳放電控制開關腳,當此腳為低電平時IC的第五腳為低電平狀態,電路正常充放電,當此腳為高電平時IC的第五腳為高電平狀態,則電路不能放電。
  15、16、17、18分別為四節電池的分別電位點
  20腳為電源腳。
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