鋰離子電池保護(hù)板原理介紹2021-06-05 08:33
鋰離子電池(可充型)之所以要保護(hù)，是由它本身特性決定的。由于鋰離子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，因此鋰離子電池鋰電組件總會(huì)跟著一塊精致的保護(hù)板和一片電流保險(xiǎn)器出現(xiàn)。
鋰離子電池的保護(hù)功能通常由保護(hù)電路板和pTC等電流器件協(xié)同完成，保護(hù)板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時(shí)刻準(zhǔn)確的監(jiān)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。
普通鋰離子電池保護(hù)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(chǔ)器等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，使電芯與外電路導(dǎo)通，而當(dāng)電芯電壓或回路電流超過(guò)規(guī)定值時(shí)，它立刻控制MOS開(kāi)關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。
在保護(hù)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(dāng)Vdd,Vss,VM任何一項(xiàng)參數(shù)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DO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(fù)載短路檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM以O(shè)V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O(shè)V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(jiān)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(dǎo)通狀態(tài)，這時(shí)可以自由的充電和放電;
當(dāng)電池被充電使電壓超過(guò)設(shè)定值VC(4.25-4.35V)后，VD1翻轉(zhuǎn)使Cout變?yōu)榈碗娖?，T1截止，充電停止，當(dāng)電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V)時(shí)，Cout變?yōu)楦唠娖?，T1導(dǎo)通充電繼續(xù)，VCR小于VC一個(gè)定值，以防止電流頻繁跳變。
當(dāng)電池電壓因放電而降低至設(shè)定值VD(2.3-2.5V)時(shí)，VD2翻轉(zhuǎn)，以IC內(nèi)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(dāng)電路放電電流超過(guò)設(shè)定值或輸出被短路時(shí)，過(guò)流、短路檢測(cè)電路動(dòng)作，使MOS管(T2)關(guān)斷，電流截止。
該保護(hù)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(gòu)成。控制IC負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)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)用途，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，C2為延時(shí)電容，該電路具有過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)與短路保護(hù)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(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，通常小于30毫歐，因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。
此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí)，通常小于7μA。
2、過(guò)充電保護(hù)
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(guò)程，電壓會(huì)上升到4.2V(根據(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(lái)越小。
電池在被充電過(guò)程中，假如充電器電路失去控制，會(huì)使電池電壓超過(guò)4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過(guò)4.3V時(shí)，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。
在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓達(dá)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(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使T1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無(wú)法再對(duì)電池進(jìn)行充電，起到過(guò)充電保護(hù)用途。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(duì)外部負(fù)載進(jìn)行放電。
在控制IC檢測(cè)到電池電壓超過(guò)4.28V至發(fā)出關(guān)斷T1信號(hào)之間，還有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C2決定，通常設(shè)為1秒左右，以防止因干擾而造成誤判斷。
3、過(guò)放電保護(hù)
電池在對(duì)外部負(fù)載放電過(guò)程中，其電壓會(huì)隨著放電過(guò)程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V時(shí)，其容量已被完全放光，此時(shí)假如讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。
在電池放電過(guò)程中，當(dāng)控制IC檢測(cè)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(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使T2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到過(guò)放電保護(hù)用途。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(duì)電池進(jìn)行充電。
由于在過(guò)放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護(hù)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(hù)電路耗電會(huì)小于0.1μA。在控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷T2信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C2決定，通常設(shè)為100毫秒左右，以防止因干擾而造成誤判斷。
4、過(guò)電流保護(hù)
由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過(guò)2C(C=電池容量/小時(shí))，當(dāng)電池超過(guò)2C電流放電時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。
電池在對(duì)負(fù)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(dǎo)通阻抗，會(huì)在其兩端出現(xiàn)一個(gè)電壓，該電壓值U=I*RDS*2,RDS為單個(gè)MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的V-腳對(duì)該電壓值進(jìn)行檢測(cè)，若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓?，使回路電流增大，?dāng)回路電流大到使U0.1V(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(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使T2由導(dǎo)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(guò)電流保護(hù)用途。
在控制IC檢測(cè)到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷T2信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C2決定，通常為13毫秒左右，以防止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(cè)值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通阻抗越大時(shí)，對(duì)同樣的控制IC，其過(guò)電流保護(hù)值越小。
5、短路保護(hù)
電池在對(duì)負(fù)載放電過(guò)程中，若回路電流大到使U0.9V(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(fù)載短路，其DO腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筎2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)用途。短路保護(hù)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(hù)類(lèi)似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不相同。
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