鋰離子電池保護電路方案設(shè)計

鋰電池必須考慮充電、放電時的安全性,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,在過度充電狀態(tài)下,電池溫度上升后能量將過剩,于是電解液分解而產(chǎn)生氣體,容易使內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險;反之,在過度放電狀態(tài)下,電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化,降低可充電次數(shù)。因此鋰電池的過充、過度放電、過電流及短路保護很重要,所以通常都會在電池包內(nèi)設(shè)計保護線路,用以保護鋰電池。

1電路設(shè)計

1.1電路概述

鋰離子電池保護電路包括過度充電保護、過電流/短路保護和過放電保護等,該電路就是要確保這樣的過度充電及放電狀態(tài)時的安全,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、場效應(yīng)管(MOSFET)、有的還有熱敏電阻(NTC)、識別電阻(ID)、保險絲(FUSE)等構(gòu)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用來檢測保護電路當(dāng)前的電壓、電流、時間等參數(shù)以此來控制場效應(yīng)管的開關(guān)狀態(tài);場效應(yīng)管(MOSFET)則根據(jù)保護IC來控制回路中是否有需開或關(guān);貼片電阻用作限流;貼片電容作用為濾波、調(diào)節(jié)延遲時間;熱敏電阻用來檢測電池塊內(nèi)的環(huán)境溫度;保險絲防止流過電池的電流過大,切斷電流回路。

1.2電路原理及參數(shù)確定

1.2.1過度充電保護

當(dāng)充電器對鋰電池過度充電時,鋰電池會因溫度上升而導(dǎo)致內(nèi)壓上升,需終止當(dāng)前充電的狀態(tài)。此時,集成保護電路IC需檢測電池電壓,當(dāng)?shù)竭_(dá)4.25V時(假設(shè)電池過充電壓臨界點為4.25V)即激活過度充電保護,將功率MOS由開轉(zhuǎn)為切斷,進而截止充電。另外,為防止由于噪音所產(chǎn)生的過度充電而誤判為過充保護,因此需要設(shè)定延遲時間,并且延遲時間不能短于噪音的持續(xù)時間以免誤判。過充電保護延時時間tvdet1計算公式為:

tvdet1={C3×(Vdd-0.7)}/(0.48×10-6)(1)

式中:Vdd為保護N1的過充電檢測電壓值。

簡便計算延時時間:t=C3/0.01×77(ms)(2)

如若C3容值為0.22F,則延時值為:0.22/0.01×77=1694(ms)

1.2.2過度放電保護

在過度放電的情況下,電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化,并造成充電次數(shù)的降低。過度放電保護IC原理:為了防止鋰電池的過度放電狀態(tài),假設(shè)鋰電池接上負(fù)載,當(dāng)鋰電池電壓低于其過度放電電壓檢測點(假定為2.3V)時將激活過度放電保護,使功率MOSFET由開轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹?以避免電池過度放電現(xiàn)象產(chǎn)生,并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機模式,此時的電流僅0.1μA。當(dāng)鋰電池接上充電器,且此時鋰電池電壓高于過度放電電壓時,過度放電保護功能方可解除。另外,考慮到脈沖放電的情況,過放電檢測電路設(shè)有延遲時間以避免產(chǎn)生誤動作。

1.2.3過電流及短路電流保護

因為不明原因(放電時或正負(fù)極遭金屬物誤觸)造成過電流或短路,為確保安全,必須使其立即停止放電。過電流保護IC原理為,當(dāng)放電電流過大或短路情況產(chǎn)生時,保護IC將激活過(短路)電流保護,此時過電流的檢測是將功率MOSFET的Rds(on)當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測其電壓的下降情形,如果比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電,運算公式為:

V_=I×Rds(on)×2(V_為過電流檢測電壓,I為放電電流)(3)假設(shè)V_=0.2V,Rds(on)=25mΩ,則保護電流的大小為I=4A。

同樣,過電流檢測也必須設(shè)有延遲時間以防有突發(fā)電流流入時產(chǎn)生誤動作。通常在過電流產(chǎn)生后,若能去除過電流因素(例如馬上與負(fù)載脫離),將會恢復(fù)其正常狀態(tài),可以再進行正常的充放電動作。

2結(jié)束語

在進行保護電路設(shè)計時使電池充電到飽滿的狀態(tài)是使用者很關(guān)心的問題,同時兼顧到安全性問題,因此需要在達(dá)到容許電壓時截止充電狀態(tài)。要同時符合這兩個條件,必須有高精密度的檢測器,目前檢測器的精密度為25mV。另外還必須考慮到集成保護電路IC功耗、耐高電壓問題。此外為了使功率MOSFET的Rds(on)在充電電流與放電電流時有效應(yīng)用,需使該阻抗值盡量低,目前該阻抗約為20～30mΩ,這樣過電流檢測電壓就可較低。