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锂离子电池保护电路工作原理分析
锂离子电池保护电路工作原理分析
  • 发布时间:2021-02-05 17:41

锂离子电池保护电路工作原理分析

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锂离子电池保护电路工作原理


锂离子电池的保护功能通常由保护电路板和PTC协同完成,保护板由电子元件组成,在-40℃~+85℃的环境下时刻准确地监视电芯的电压和充放电回路的电流,并及时控制电流回路的通断;PTC的重要用途是在高温环境下进行保护,防止电池发生燃烧、爆炸等恶性事故。


保护电路通常由控制IC、MOs开关管、熔断保险丝、电阻、电容等元件组成,如图2所示。正常的情况下,控制IC输出信号控制MOs开关管导通,使电芯与外电路导通,当电芯电压或回路电流超过规定值时,它立即控制MOS管关断,以保护电芯的安全。


1、正常状态


在正常状态下电路中N1的CO与DO脚都输出高电压,两个MOSFET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MOSFET的导通阻抗很小,通常小于30毫欧,因此其导通电阻对电路的性能影响很小。此状态下保护电路的消耗电流为μA级,通常小于7μA。


2、过充电保护


锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压,在充电初期,为恒流充电,随着充电过程,电压会上升到4.2V(根据正极材料不同,有的电池要求恒压值为4.1V),转为恒压充电,直至电流越来越小。


电池在被充电过程中,假如充电器电路失去控制,会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电,此时电池电压仍会继续上升,当电池电压被充电至超过4.3V时,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。


在带有保护电路的电池中,当控制IC检测到电池电压达到4.28V时,其CO脚将由高电压转变为零电压,使V2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,起到过充电保护用途。而此时由于V2自带的体二极管VD2的存在,电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间,还有一段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,通常设为1秒左右,以防止因干扰而造成误判断。


3、过放电保护


锂离子电池在对外部负载放电过程中,其电压会随着放电过程逐渐降低,当电池电压降至2.5V时,其容量已被完全放光,此时假如让电池继续对负载放电,将造成电池的永久性损坏。


在电池放电过程中,当控制IC检测到电池电压低于2.3V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,其DO脚将由高电压转变为零电压,使V1由导通转为关断,从而切断了放电回路,使电池无法再对负载进行放电,起到过放电保护用途。而此时由于V1自带的体二极管VD1的存在,充电器可以通过该二极管对电池进行充电。


由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低,因此要求保护电路的消耗电流极小,此时控制IC会进入低功耗状态,整个保护电路耗电会小于0.1μA。在控制IC检测到锂离子电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间,也有一段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,通常设为100毫秒左右,以防止因干扰而造成误判断。


4、过电流保护


由于锂离子电池的化学特性,锂离子电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C(C=电池容量/小时),当电池超过2C电流放电时,将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。


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