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,需終止當前充電的狀態(tài)。此時,集成保護電路IC 需檢測電池電壓,當?shù)竭_4.25V 時(假設(shè)電池過充電壓臨界點為4.25 V) 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:

　　t vdet1 = { 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0.22 F ,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)鋰電池接上負載,當鋰電池電壓低于其過度放電電壓檢測點(假定為2.3 V) 時將激活過度放電保護,使功率MOS FET 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) = 25 mΩ,則保護電流的大小為I = 4 A 。

　　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25 mV 。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20～30 mΩ,這樣過電流檢測電壓就可較低。