鋰電池保護電路工作原理,鋰電池保護電路設計

來源：存能電氣  日期：2019-05-22 09:16  瀏覽量：次

　　鋰電池保護電路工作原理，鋰電池保護電路設計。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。

　　鋰電池保護電路工作原理

　　鋰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(huán)境下時刻準確地監(jiān)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(huán)境下進行保護，防止電池發(fā)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(guī)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(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MOSFET都處于導通狀態(tài)，鋰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(tài)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(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會繼續(xù)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時，其“CO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?，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(fā)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(xù)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?yōu)榱汶妷?，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(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，此時控制IC會進入低功耗狀態(tài)，整個保護電路耗電會小于0.1μA。在控制IC檢測到鋰電池電壓低于2.3V至發(fā)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

　　由于鋰離子電池的化學特性，鋰電池生產廠家規(guī)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?yōu)榱汶妷海筕1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(fā)生至發(fā)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?yōu)榱汶妷?，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。

　　鋰電池保護電路設計

　　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(fā)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(tài)進行有效監(jiān)測，并在某些條件下關斷充、放電回路以防止對電池發(fā)生損害。

　　鋰離子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：鋰電池充電電路和保護電路設計的重要性。以鋰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(tǒng)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，鋰電池充電電路和保護電路設計就顯得十分重要。