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锂离子电池集成保护电路的工作原理

来源:沃尔德   发布日期:2013-06-21   点击次数:1261

    在锂离子电池使用过程中,过充电、过放电和过电流是影响锂离子电池使用寿命和性能的主要因素,锂离子电池集成保护电路通过各保护单元电路可有效地监测并防止对锂离子电池产生损害。锂离子电池充放电保护电路,锂离子电池保护回路由两个FET和一个控制集成电路外加一些阻容元件构成。
(1)正常状态
    在正常状态下,电路中N1的CO端与DO端都输出高电压,两个FET都处于导通状态,锂离子电池可以自由地进行充电和放电。由于FET的导通阻抗很小,通常小于30mΩ以下,因此其导通电阻对电路性能的影响很小。此状态下保护电路的消耗电流为微安级,通常小于7μA。
(2)过充电状态
    锂离子电池要求的充电方式为恒流、恒压充电,在充电初期为恒流充电,随着充电过程的继续进行,电压会逐渐上升到4.2V(根据正极材料不同,有的电池要求恒压值为4.1V),即达到恒压充电的设定值时自动转为恒压充电方式。锂离子电池在充电过程中,如果充电器电路失去控制,会使锂离子电池电压超过4.2V后继续恒流充电,此时锂离子电池电压仍会继续上升。当锂离子电池电压被充电至4.3V以上时,锂离子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。
    在带有保护电路的锂离子电池中,当控制集成电路检测到锂离子电池电压达到4.28V(该值由控制集成电路决定,不同的集成电路有不同的值)时,其CO端将由高电位转变为零电位,使VT2由导通转为关断,从而切断了充电回路,使充电器无法再对锂离子电池进行充电,起到过充电保护作用。而此时由于VT2自带的体二极管VD2的存在,锂离子电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。在控制集成电路检测到锂离子电池电压超过4.28V到发出关断VT2信号之间,设有一段延时时间。该延时时间的长短由C3决定,通常设为1s左右,以避免因干扰而造成保护误判断。
(3)过放电状态
    在锂离子电池对外部负载放电的过程中,其电压会随着放电过程逐渐降低。当锂离子电池电压降至2.5V时,其容量已被完全放光,此时如果让锂离子电池继续对负载放电,将造成锂离子电池的永久性损坏。在锂离子电池放电过程中,当控制集成电路检测到锂离子电池电压低于2.3V(该值由控制集成电路决定,不同的集成电路有不同的值)时,其DO端将由高电位转变为零电位,使VT1由导通转为关断,从而切断了放电回路,使锂离子电池无法再对负载进行放电,起到过放电保护作用。而此时由于VT1自带的体二极管VD1的存在,充电器可以通过该二极管对锂离子电池进行充电。由于在过放电保护状态下锂离子电池的电压不能再降低,因此要求保护电路的消耗电流极小,此时控制集成电路会进入低功耗状态,整个保护电路的耗电会小于0.1μA。在控制集成电路检测到锂离子电池电压低于2.3V到发出关断VT1信号之间,也设有一段延时时间。该延时时间的长短由C3决定,通常设为100ms左右,以避免因干扰而造成保护误判断。
(4)过电流状态
    由于锂离子电池的化学特性,生产厂家规定了其放电速率最大不能超过2C。当锂离子电池以2C以上的放电速率进行放电时,将会导致锂离子电池的永久性损坏或出现安全问题。
    锂离子电池在对负载正常放电的过程中,放电电流在经过串联的两个FET时,由于FET的导通阻抗,会在其两端产生一个电压降。
(5)短路状态
    在锂离子电池对负载放电的过程中,若回路电流大到使V>0.9V(该值由控制集成电路决定,不同的集成电路有不同的值),则控制集成电路判断为负载短路,其DO端将迅速由高电位转变为零电位,使VT1由导通转为关断,从而切断放电回路,起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短,通常小于7μs。其工作原理与过电流保护类似,只是判断方法不同,保护延时时间也不一样。
    多节串联锂离子电池组的保护原理与单节锂离子电池的保护原理类似。在实际的锂离子电池保护电路中,还有许多其他类型的控制集成电路,如日本精工的 S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、中国台湾富晶的 FS312和 FS313系列、中国台湾类比科技的AAT8632系列等。这些集成电路的工作原理大同小异,只是在具体参数上有所差异,有些控制集成电路为了节省外围电路,将滤波电容和延时电容做到了芯片内部,其外围电路可以简单,如日本精工的S-8241系列。
    除了控制集成电路外,电路中还有一个重要元件,就是FET,它在电路中起着开关的作用。由于它直接串接在锂离子电池充电与外部负载之间,因此它的导通阻抗对锂离子电池的性能有影响。当选用FET时,其导通阻抗应很小,这时锂离子电池的内阻就小,带载能力也强,在放电时其消耗的电能也少。

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