【導讀】鋰電池需要保護的特性完全是由于自身特性決定的。鋰電池本身具有的材料決定了它的工作狀態(tài)和工作原理,其中包括不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電等等。本文就詳細介紹了鋰電池保護板的幾種常見工作狀態(tài)和工作原理。
鋰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、負載短路檢出電壓:在通常狀態(tài)下,VM以OV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OV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VDD端子的電流(IDD)即為過流放電消耗電流。
IC負責監(jiān)測電池電壓與回路電流,并控制兩個MOSFET的柵極,MOSFET在電路中起開關作用,分別控
制著充電回路與放電回路的導通與關斷,C2為延時電容,該電路具有過充電保護、過放電保護、過電流保
護與短路保護功能,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,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T1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,起到過充電保護作用。而此時由于T1自帶的體二極管VD1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T1信號之間,還有一段延時時間,該延時時間的長短由C2決定,通常設為1秒左右,以避免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,此時如果讓電池繼續(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T2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,起到過放電保護作用。而此時由于T2自帶的體二極管VD2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T2信號之間,也有一段延時時間,該延時時間的長短由C2決定,通常設為100毫秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。
4、過電流保護
由于鋰離子電池的化學特性,電池生產廠家規(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,放電電流在經過串聯(lián)的2個MOSFET時,由于MOSFET的導通阻抗,會在其兩端產生一個電壓,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”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?,使T2由導通轉為關斷,從而切斷了放電回路,使回路中電流為零,起到過電流保護作用。
在控制IC檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關斷T2信號之間,也有一段延時時間,該延時時間的長短由C2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。
5、短路保護
電池在對負載放電過程中,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則判斷為負載短路,其“DO”腳將迅速由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?,使T2由導通轉為關斷,從而切斷放電回路,起到短路保護作用。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,保護延時時間也不一樣。
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