鋰電池必須考慮充電、放電時(shí)的安全性,以防止特性劣化。但鋰離子電池能量密度高,難以確保電池的安全性,在過(guò)度充電狀態(tài)下,電池溫度上升后能量將過(guò)剩,于是電解液分解而產(chǎn)生氣體,容易使內壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險;反之,在過(guò)度放電狀態(tài)下,電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化,降低可充電次數。因此鋰電池的過(guò)充、過(guò)度放電、過(guò)電流及短路保護很重要,所以通常都會(huì )在電池包內設計保護線(xiàn)路,用以保護鋰電池。
1 電路設計
1.1 電路概述
鋰離子電池保護電路包括過(guò)度充電保護、過(guò)電流/ 短路保護和過(guò)放電保護等,該電路就是要確保這樣的過(guò)度充電及放電狀態(tài)時(shí)的安全,并防止特性劣化。它主要由集成保護電路IC、貼片電阻、貼片電容、場(chǎng)效應管(MOSFET) 、有的還有熱敏電阻(NTC) 、識別電阻( ID) 、保險絲( FUSE) 等構成。其電路圖如圖1所示。
圖1 鋰離子電池保護電路圖
其中集成保護電路IC 用來(lái)檢測保護電路當前的電壓、電流、時(shí)間等參數以此來(lái)控制場(chǎng)效應管的開(kāi)關(guān)狀態(tài);場(chǎng)效應管(MOSFET) 則根據保護IC 來(lái)控制回路中是否有需開(kāi)或關(guān); 貼片電阻用作限流; 貼片電容作用為濾波、調節延遲時(shí)間;熱敏電阻用來(lái)檢測電池塊內的環(huán)境溫度; 保險絲防止流過(guò)電池的電流過(guò)大,切斷電流回路。
1.2 電路原理及參數確定
1.2.1 過(guò)度充電保護
當充電器對鋰電池過(guò)度充電時(shí),鋰電池會(huì )因溫度上升而導致內壓上升,需終止當前充電的狀態(tài)。此時(shí),集成保護電路IC 需檢測電池電壓,當到達4.25V 時(shí)(假設電池過(guò)充電壓臨界點(diǎn)為4.25 V) 即激活過(guò)度充電保護,將功率MOS 由開(kāi)轉為切斷,進(jìn)而截止充電。另外,為防止由于噪音所產(chǎn)生的過(guò)度充電而誤判為過(guò)充保護,因此需要設定延遲時(shí)間,并且延遲時(shí)間不能短于噪音的持續時(shí)間以免誤判。過(guò)充電保護延時(shí)時(shí)間tvdet1計算公式為:
t vdet1 = { C3 ×( Vdd - 0. 7) }/ (0. 48 ×10 - 6 ) (1)
式中: Vdd為保護N1 的過(guò)充電檢測電壓值。
簡(jiǎn)便計算延時(shí)時(shí)間: t = C3/ 0. 01 ×77 (ms) (2)
如若C3 容值為0.22 F ,則延時(shí)值為:0. 22 /0. 01 ×77 = 1694 (ms)
1.2.2 過(guò)度放電保護
在過(guò)度放電的情況下,電解液因分解而導致電池特性劣化,并造成充電次數的降低。過(guò)度放電保護IC 原理:為了防止鋰電池的過(guò)度放電狀態(tài),假設鋰電池接上負載,當鋰電池電壓低于其過(guò)度放電電壓檢測點(diǎn)(假定為2.3 V) 時(shí)將激活過(guò)度放電保護,使功率MOS FET 由開(kāi)轉變?yōu)榍袛喽刂狗烹?以避免電池過(guò)度放電現象產(chǎn)生,并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機模式,此時(shí)的電流僅0.1μA 。當鋰電池接上充電器,且此時(shí)鋰電池電壓高于過(guò)度放電電壓時(shí),過(guò)度放電保護功能方可解除。另外,考慮到脈沖放電的情況,過(guò)放電檢測電路設有延遲時(shí)間以避免產(chǎn)生誤動(dòng)作。
1.2.3 過(guò)電流及短路電流保護
因為不明原因(放電時(shí)或正負極遭金屬物誤觸) 造成過(guò)電流或短路,為確保安全,必須使其立即停止放電。過(guò)電流保護IC 原理為,當放電電流過(guò)大或短路情況產(chǎn)生時(shí),保護IC 將激活過(guò)(短路) 電流保護,此時(shí)過(guò)電流的檢測是將功率MOSFET 的Rds (on) 當成感應阻抗用以監測其電壓的下降情形,如果比所定的過(guò)電流檢測電壓還高則停止放電,運算公式為:
V_ = I ×Rds ( on) ×2 ( V_為過(guò)電流檢測電壓, I 為放電電流) (3)假設V_ = 0. 2V , Rds (on) = 25 mΩ,則保護電流的大小為I = 4 A 。
同樣,過(guò)電流檢測也必須設有延遲時(shí)間以防有突發(fā)電流流入時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作。通常在過(guò)電流產(chǎn)生后,若能去除過(guò)電流因素(例如馬上與負載脫離) ,將會(huì )恢復其正常狀態(tài),可以再進(jìn)行正常的充放電動(dòng)作。
2 結束語(yǔ)
在進(jìn)行保護電路設計時(shí)使電池充電到飽滿(mǎn)的狀態(tài)是使用者很關(guān)心的問(wèn)題,同時(shí)兼顧到安全性問(wèn)題,因此需要在達到容許電壓時(shí)截止充電狀態(tài)。要同時(shí)符合這兩個(gè)條件,必須有高精密度的檢測器,目前檢測器的精密度為25 mV 。另外還必須考慮到集成保護電路IC 功耗、耐高電壓?jiǎn)?wèn)題。此外為了使功率MOSFET的Rds ( on) 在充電電流與放電電流時(shí)有效應用, 需使該阻抗值盡量低, 目前該阻抗約為20～30 mΩ,這樣過(guò)電流檢測電壓就可較低。 |
