電池保護(hù)板原理是什么意思2021-07-09 08:10
鋰電池的保護(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)境下時刻準(zhǔn)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。
普通鋰電池保護(hù)板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、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(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規(guī)定值時，它立刻控制MOS開關(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，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。
鋰電池保護(hù)板原理
鋰電池（可充型）之所以需要保護(hù)，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，因此鋰電池鋰電組件總會跟著一塊精致的保護(hù)板和一片電流保險(xiǎn)器出現(xiàn)。
鋰電池的保護(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)境下時刻準(zhǔn)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。
普通鋰電池保護(hù)板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、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(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規(guī)定值時，它立刻控制MOS開關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。
鋰電池保護(hù)板原理詳細(xì)分析
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，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。
1、過充電檢出電壓：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rVDD-VSS間電壓。
2、過充電解除電壓：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rVDD-VSS間電壓。
3、過放電檢出電壓：通常狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVDD-VSS間電壓。
4、過放電解除電壓：在過放電狀態(tài)下，Vdd逐漸上升到DO端由低電平變?yōu)楦唠娖綍rVDD-VSS間電壓。
5、過電流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rVM-VSS間電壓。
6、過電流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rVM-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rVM-VSS間電壓。
8、充電器檢出電壓：在過放電狀態(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rVM-VSS間電壓。
9、通常工作時消耗電流：在通常狀態(tài)下，流以VDD端子的電流（IDD）即為通常工作時消耗電流。
10、過放電消耗電流：在放電狀態(tài)下，流經(jīng)VDD端子的電流（IDD）即為過流放電消耗電流。
典型的鋰電池保護(hù)電路
由于鋰電池的化學(xué)特性，在正常使用過程中，其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)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(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng)，該副反應(yīng)加劇后，會嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導(dǎo)致安全問題，因此所有的鋰電池都需要一個保護(hù)電路，用于對電池的充、放電狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測，并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對電池發(fā)生損害
鋰電池保護(hù)板原理詳細(xì)分析
如上圖所示，該保護(hù)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。控制ＩＣ負(fù)責(zé)監(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)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，Ｃ３為延時電容，該電路具有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(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，通常小于７μＡ。
２、過充電保護(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(zhuǎn)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(dāng)電池電壓被充電至超過４．３Ｖ時，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制ＩＣ檢測到電池電壓達(dá)到４．２８Ｖ（該值由控制ＩＣ決定，不同的ＩＣ有不同的值）時，其“ＣＯ”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使Ｖ２由?dǎo)通轉(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(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)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(fù)載進(jìn)行放電。在控制ＩＣ檢測到電池電壓超過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，以避免因干擾而造成誤判斷。
３、短路保護(hù)
電池在對負(fù)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(fù)載短路，其“ＤＯ”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使Ｖ１由?dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)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(hù)類似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時時間也不一樣。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(guān)的作用，由于它直接串接在電池與外部負(fù)載之間，因此它的導(dǎo)通阻抗對電池的性能有影響，當(dāng)選用的ＭＯＳＦＥＴ較好時，其導(dǎo)通阻抗很小，電池包的內(nèi)阻就小，帶載能力也強(qiáng)，在放電時其消耗的電能也少。
４、過電流保護(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２Ｃ（Ｃ＝電池容量／小時），當(dāng)電池超過２Ｃ電流放電時，將會導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。電池在對負(fù)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(dǎo)通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，該電壓值Ｕ＝Ｉ＊ＲＤＳ＊２，ＲＤＳ為單個ＭＯＳＦＥＴ導(dǎo)通阻抗，控制ＩＣ上的“Ｖ－”腳對該電壓值進(jìn)行檢測，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)榱汶妷海梗郑庇蓪?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，起到過電流保護(hù)作用。在控制ＩＣ檢測到過電流發(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，以避免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(dǎo)通阻抗，當(dāng)ＭＯＳＦＥＴ導(dǎo)通阻抗越大時，對同樣的控制ＩＣ，其過電流保護(hù)值越小。
普通鋰電池保護(hù)板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、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(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規(guī)定值時，它立刻控制MOS開關(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，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。
鋰電池保護(hù)板原理
鋰電池（可充型）之所以需要保護(hù)，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，因此鋰電池鋰電組件總會跟著一塊精致的保護(hù)板和一片電流保險(xiǎn)器出現(xiàn)。
鋰電池的保護(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)境下時刻準(zhǔn)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。
普通鋰電池保護(hù)板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、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(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規(guī)定值時，它立刻控制MOS開關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。
鋰電池保護(hù)板原理詳細(xì)分析
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，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。
1、過充電檢出電壓：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rVDD-VSS間電壓。
2、過充電解除電壓：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rVDD-VSS間電壓。
3、過放電檢出電壓：通常狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVDD-VSS間電壓。
4、過放電解除電壓：在過放電狀態(tài)下，Vdd逐漸上升到DO端由低電平變?yōu)楦唠娖綍rVDD-VSS間電壓。
5、過電流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rVM-VSS間電壓。
6、過電流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rVM-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rVM-VSS間電壓。
8、充電器檢出電壓：在過放電狀態(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rVM-VSS間電壓。
9、通常工作時消耗電流：在通常狀態(tài)下，流以VDD端子的電流（IDD）即為通常工作時消耗電流。
10、過放電消耗電流：在放電狀態(tài)下，流經(jīng)VDD端子的電流（IDD）即為過流放電消耗電流。
典型的鋰電池保護(hù)電路
由于鋰電池的化學(xué)特性，在正常使用過程中，其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)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(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng)，該副反應(yīng)加劇后，會嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導(dǎo)致安全問題，因此所有的鋰電池都需要一個保護(hù)電路，用于對電池的充、放電狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測，并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對電池發(fā)生損害
鋰電池保護(hù)板原理詳細(xì)分析
如上圖所示，該保護(hù)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。控制ＩＣ負(fù)責(zé)監(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)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，Ｃ３為延時電容，該電路具有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(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，通常小于７μＡ。
２、過充電保護(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(zhuǎn)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(dāng)電池電壓被充電至超過４．３Ｖ時，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制ＩＣ檢測到電池電壓達(dá)到４．２８Ｖ（該值由控制ＩＣ決定，不同的ＩＣ有不同的值）時，其“ＣＯ”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使Ｖ２由?dǎo)通轉(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(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)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(fù)載進(jìn)行放電。在控制ＩＣ檢測到電池電壓超過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，以避免因干擾而造成誤判斷。
３、短路保護(hù)
電池在對負(fù)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(fù)載短路，其“ＤＯ”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使Ｖ１由?dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)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(hù)類似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時時間也不一樣。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(guān)的作用，由于它直接串接在電池與外部負(fù)載之間，因此它的導(dǎo)通阻抗對電池的性能有影響，當(dāng)選用的ＭＯＳＦＥＴ較好時，其導(dǎo)通阻抗很小，電池包的內(nèi)阻就小，帶載能力也強(qiáng)，在放電時其消耗的電能也少。
４、過電流保護(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２Ｃ（Ｃ＝電池容量／小時），當(dāng)電池超過２Ｃ電流放電時，將會導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。電池在對負(fù)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(dǎo)通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，該電壓值Ｕ＝Ｉ＊ＲＤＳ＊２，ＲＤＳ為單個ＭＯＳＦＥＴ導(dǎo)通阻抗，控制ＩＣ上的“Ｖ－”腳對該電壓值進(jìn)行檢測，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)榱汶妷海梗郑庇蓪?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，起到過電流保護(hù)作用。在控制ＩＣ檢測到過電流發(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，以避免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(dǎo)通阻抗，當(dāng)ＭＯＳＦＥＴ導(dǎo)通阻抗越大時，對同樣的控制ＩＣ，其過電流保護(hù)值越小。
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