鋰離子電池保護板功能設計方法2021-06-15 08:15
鋰離子電池的保護功能通常由保護電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成，保護板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時刻準確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，及時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板通常包括控制IC、MOS開關、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存儲器等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開關導通，使電芯與外電路導通，而當電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時，它立刻控制MOS開關關斷，保護電芯的安全。
在保護板正常的情況下，Vdd為高電平，Vss，VM為低電平，DO、CO為高電平，當Vdd，Vss，VM任何一項參數(shù)變換時，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。
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
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(jù)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，假如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(xiàn)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?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，以防止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，此時假如讓電池繼續(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檢測到電池電壓低于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，以防止因干擾而造成誤判斷.
4、短路保護
電池在對負載放電過程中，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，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，只是判斷方法不同，保護延時時間也不相同。除了控制IC外，電路中還有一個重要元件，就是MOSFET，它在電路中起著開關的用途，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(nèi)阻就小，帶載能力也強，在放電時其消耗的電能也少。
5、過電流保護
由于鋰離子電池的化學特性，電池生產(chǎn)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U0.1V(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，起到過電流保護用途。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，以防止因干擾而造成誤判斷。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。
普通鋰離子電池保護板通常包括控制IC、MOS開關、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存儲器等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開關導通，使電芯與外電路導通，而當電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時，它立刻控制MOS開關關斷，保護電芯的安全。
在保護板正常的情況下，Vdd為高電平，Vss，VM為低電平，DO、CO為高電平，當Vdd，Vss，VM任何一項參數(shù)變換時，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。
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
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(jù)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，假如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(xiàn)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?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，以防止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，此時假如讓電池繼續(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檢測到電池電壓低于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，以防止因干擾而造成誤判斷.
4、短路保護
電池在對負載放電過程中，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，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，只是判斷方法不同，保護延時時間也不相同。除了控制IC外，電路中還有一個重要元件，就是MOSFET，它在電路中起著開關的用途，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(nèi)阻就小，帶載能力也強，在放電時其消耗的電能也少。
5、過電流保護
由于鋰離子電池的化學特性，電池生產(chǎn)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U0.1V(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，起到過電流保護用途。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，以防止因干擾而造成誤判斷。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。
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