鋰電池保護電路工作原理，鋰電池保護電路設計

鋰電池之所以需要保護，是有與它本身的特性決定的。鋰電池保護的重要元素是鋰電池保護板，鋰電池保護板是對串聯(lián)鋰電池組的充放電保護。在鋰電池充滿(mǎn)電時(shí)能保證各單體電池之間的電壓差異小于設定值（一般±20mV），實(shí)現電池組各單體電池的均充，有效地改善了串聯(lián)充電方式下的充電效果；同時(shí)檢測電池組中各個(gè)單體電池的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路、過(guò)溫狀態(tài)，保護并延長(cháng)電池使用壽命；欠壓保護使每一單節電池在放電使用時(shí)避免電池因過(guò)放電而損壞。

鋰電池保護電路工作原理

鋰電池的保護功能通常由保護電路板和PTC協(xié)同完成，保護板由電子元件組成，在－40℃～＋85℃的環(huán)境下時(shí)刻準確地監視電芯的電壓和充放電回路的電流，并及時(shí)控制電流回路的通斷；PTC的主要作用是在高溫環(huán)境下進(jìn)行保護，防止電池發(fā)生燃燒、爆炸等惡性事故。

保護電路通常由控制IC、MOs開(kāi)關(guān)管、熔斷保險絲、電阻、電容等元件組成。正常的情況下，控制IC輸出信號控制MOs開(kāi)關(guān)管導通，使電芯與外電路導通，當電芯電壓或回路電流超過(guò)規定值時(shí)，它立即控制MOS管關(guān)斷，以保護電芯的安全。

R1：基準供電電阻；與IC內部電阻構成分壓電路，控制內部過(guò)充、過(guò)放電壓比較器的電平翻轉；一般在阻值為330Ω、470Ω比較多；

當封裝形式（即用標準元件的長(cháng)和寬來(lái)表示元件大小，如0402封裝標識此元件的長(cháng)和寬分別為1.0mm和0.5mm）較大時(shí)，會(huì )用數字標識其阻值，如貼片電阻上數字標識473， 即表示其阻值為47000Ω即47KΩ（第三位數表示在前兩位后面加0的位數）。

R2：過(guò)流、短路檢測電阻；通過(guò)檢測VM端電壓控制保護板的電流 ，焊接不良、損壞會(huì )造成電池過(guò)流 、短路無(wú)保護，一般阻值為1KΩ、2KΩ較多。

R3：ID識別電阻或NTC電阻（前面有介紹）或兩者都有。

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(gè)MOSFET都處于導通狀態(tài)，鋰電池可以自由地進(jìn)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(guò)充電保護

鋰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(zhù)充電過(guò)程，電壓會(huì )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(lái)越小。

電池在被充電過(guò)程中，如果充電器電路失去控制，會(huì )使電池電壓超過(guò)4.2V后繼續恒流充電，此時(shí)電池電壓仍會(huì )繼續上升，當電池電壓被充電至超過(guò)4.3V時(shí)，電池的化學(xué)副反應將加劇，會(huì )導致電池損壞或出現安全問(wèn)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時(shí)，其“CO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?，使V2由導通轉為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無(wú)法再對鋰電池進(jìn)行充電，起到過(guò)充電保護作用。而此時(shí)由于V2自帶的體二極管VD2的存在，電池可以通過(guò)該二極管對外部負載進(jìn)行放電。在控制IC檢測到電池電壓超過(guò)4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號之間，還有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短由C3決定，通常設為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

3、過(guò)放電保護

鋰電池在對外部負載放電過(guò)程中，其電壓會(huì )隨著(zhù)放電過(guò)程逐漸降低，當電池電壓降至2.5V時(shí)，其容量已被完全放光，此時(shí)如果讓電池繼續對負載放電，將造成電池的永久性損壞。

在電池放電過(guò)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(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?，使V1由導通轉為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池無(wú)法再對負載進(jìn)行放電，起到過(guò)放電保護作用。而此時(shí)由于V1自帶的體二極管VD1的存在，充電器可以通過(guò)該二極管對電池進(jìn)行充電。

由于在過(guò)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(shí)控制IC會(huì )進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個(gè)保護電路耗電會(huì )小于0.1μA。在控制IC檢測到鋰電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短由C3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(guò)電流保護

由于鋰離子電池的化學(xué)特性，鋰電池生產(chǎn)廠(chǎng)家規定了其放電電流最大不能超過(guò)2C(C=電池容量/小時(shí))，當電池超過(guò)2C電流放電時(shí)，將會(huì )導致電池的永久性損壞或出現安全問(wèn)題。

電池在對負載正常放電過(guò)程中，放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí)，由于MOSFET的導通阻抗，會(huì )在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓值U=I*RDS*2,RDS為單個(gè)MOSFET導通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進(jìn)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(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?，使V1由導通轉為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過(guò)電流保護作用。

在控制IC檢測到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短由C3決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

5、短路保護

鋰電池在對負載放電過(guò)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(shí)，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V1由導通轉為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護作用。短路保護的延時(shí)時(shí)間極短，通常小于7微秒。其工作原理與過(guò)電流保護類(lèi)似，只是判斷方法不同，保護延時(shí)時(shí)間也不一樣。

鋰電池保護電路設計

由于鋰電池的化學(xué)特性，在正常使用過(guò)程中，其內部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉化的化學(xué)正反應，但在某些條件下，如對其過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流將會(huì )導致電池內部發(fā)生化學(xué)副反應，該副反應加劇后，會(huì )嚴重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，使電池內部壓力迅速增大后爆炸而導致安全問(wèn)題，因此所有的鋰電池都需要一個(gè)保護電路，用于對電池的充、放電狀態(tài)進(jìn)行有效監測，并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對電池發(fā)生損害。

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，要求過(guò)充電保護高精密度、保護IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。

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