鉅大LARGE | 點擊量：983次 | 2021年07月23日
鋰離子電池保護電路以及工作原理解析
由于鋰離子電池的化學特性，在正常使用過程中，其內(nèi)部進行電能與化學能相互轉(zhuǎn)化的化學正反應(yīng)，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(nèi)部發(fā)生化學副反應(yīng)，該副反應(yīng)加劇后，會嚴重影響電池的性能與使用壽命，并可能出現(xiàn)大量氣體，使電池內(nèi)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(guān)斷充、放電回路以戒備對電池發(fā)生損害
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(gòu)成?？刂疲桑秘撠煴O(jiān)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(guān)用途，分別控制著充電回路與放電回路的導通與關(guān)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，其工作原理分解如下：
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ＭＯＳＦＥＴ都處于導通狀態(tài)，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
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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（依據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為４．１Ｖ），轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來越小。電池在被充電過程中，倘若充電器電路失去控制，會使電池電壓超過４．２Ｖ后持續(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會持續(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(yīng)將加劇，會導致電池損壞或出現(xiàn)安全問題。在帶有保護電路的電池中，當控制ＩＣ測試到電池電壓達到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(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海梗郑灿蓪ㄞD(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護用途。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測試到電池電壓超過４．２８Ｖ至發(fā)出關(guān)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(shè)為１秒左右，以戒備因干擾而造成誤判斷。
３、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(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海梗郑庇蓪ㄞD(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護用途。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，只是判斷辦法不同，保護延時時間也不相同。除了控制ＩＣ外，電路中還有一個緊要元件，就是ＭＯＳＦＥＴ，它在電路中起著開關(guān)的用途，由于它筆直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，電池組的內(nèi)阻就小，帶載能力也強，在放電時其消耗的電能也少。
４、過電流保護
由于鋰離子電池的化學特性，電池加廠家規(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(xiàn)安全問題。電池在對負載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的２個ＭＯＳＦＥＴ時，由于ＭＯＳＦＥＴ的導通阻抗，會在其兩端出現(xiàn)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－腳對該電壓值進行測試，若負載因某種原由導致異常，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(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使Ｖ１由導通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護用途。在控制ＩＣ測試到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)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，以戒備因干擾而造成誤判斷。在上述控制過程中可知，其過電流測試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、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，此時倘若讓電池持續(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測試到電池電壓低于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(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使Ｖ１由導通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池無法再對負載進行放電，起到過放電保護用途。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測試到電池電壓低于２．３Ｖ至發(fā)出關(guān)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(shè)為１００毫秒左右，以戒備因干擾而造成誤判斷
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