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18650锂离子电池怎么设计保护板?

2021-09-16   点击量:35

锂离子电池保护板正常情况下的情况下,Vdd为高电平,Vss,VM为低电平,DO、CO为高电平,当Vdd,Vss,VM任何一项参数变换时,DO或CO端的电平将出现变化。


1、正常情况下状态


在正常情况下状态下电路中N1的CO与DO脚都输出高电压,两个MOSFET都处于通断状态,电池可以自由地进行充电和放电,考虑到MOSFET的通断阻抗比较小,一般而言小于30毫欧,因此其通断电阻对电路的性能指标影响比较小。此状态下保护电路的消耗电流为μA级,一般而言小于7μA。


2、过充电保护


锂离子电池规定要求的充电方式为恒流电源/恒压,在充电初期,为恒流电源充电,随着充电整个过程,电压会上升到4.2V(根据正极材料不同,有的电池规定要求恒压值为4.1V),转变成恒压充电,直至电流越来越小。电池在被充电整个过程中,假如充电器电路失去控制,会使电池电压超出4.2V后继续恒流电源充电,此时电池电压仍会继续上升,当电池电压被充电至超出4.3V时,电池的化学副反应将加剧,会导致电池损坏或出现安全问题。在带有保护电路的电池中,当控制IC检测到电池电压达到4.28V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,其CO脚将由高电压转变为零电压,使V2由通断转变成关断,从而切断了充电控制回路,使充电器无法再对电池进行充电,起到过充电保护用途。而此时考虑到V2自带的体二极管VD2的存在,电池可以通过该二极管对外界负载进行放电。在控制IC检测到电池电压超出4.28V至发出关断V2信号之间,也有每段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,一般而言设为1秒左右,以防止出现因干扰而造成误判断。


3、过放电保护


电池在对外界负载放电整个过程中,其电压会随着放电整个过程慢慢地降低,当电池电压降至2.5V时,其容量已被完全放光,此时假如让电池继续对负载放电,将造成电池的永久性损坏。在电池放电整个过程中,当控制IC检测到电池电压低于2.3V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,其DO脚将由高电压转变为零电压,使V1由通断转变成关断,从而切断了放电控制回路,使电池无法再对负载进行放电,起到过放电保护用途。而此时考虑到V1自带的体二极管VD1的存在,充电器可以通过该二极管对电池进行充电。考虑到在过放电保护状态下电池电压不能再降低,因此规定要求保护电路的消耗电流极小,此时控制IC会进入低功耗状态,整个保护电路耗电会小于0.1μA。在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间,也有每段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,一般而言设为100毫秒左右,以防止出现因干扰而造成误判断.


4、短路保护


电池在对负载放电整个过程中,若控制回路电流大到使U>0.9V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,控制IC则判断为负载短路,其DO脚将迅速由高电压转变为零电压,使V1由通断转变成关断,从而切断放电控制回路,起到短路保护用途。短路保护的延时时间极短,一般而言小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似,只是判断方法不同,保护延时时间也不相同。除了控制IC外,电路中还有一个重要元件,就是MOSFET,它在电路中起着电源开关的用途,考虑到它直接串接在电池与外部负载之间,因此它的通断阻抗对电池的性能指标有影响,当选用的MOSFET较好时,其通断阻抗比较小,电池包的内阻就小,带载能力也强,在放电时其消耗的电能也少。


5、过电流保护


考虑到锂离子电池的化学特性,电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超出2C(C=电池容量/小时),当电池超出2C电流放电时,将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。电池在对负载正常情况下放电整个过程中,放电电流在经过串联的2个MOSFET时,考虑到MOSFET的通断阻抗,会在其两端出现一个电压,该电压值U=I*RDS*2,RDS为单个MOSFET通断阻抗,控制IC上的V-脚对该电压值进行检测,若负载因某种原因导致异常,使控制回路电流增大,当控制回路电流大到使U>0.1V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,其DO脚将由高电压转变为零电压,使V1由通断转变成关断,从而切断了放电控制回路,使控制回路中电流为零,起到过电流保护用途。在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间,也有每段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,一般而言为13毫秒左右,以防止出现因干扰而造成误判断。在上述控制整个过程中可知,其过电流检测值大小不但取决于控制IC的控制值,还取决于MOSFET的通断阻抗,当MOSFET通断阻抗越大时,对同样的控制IC,其过电流保护值越小。

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钜大特种电池工程研究院

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