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锂电池保护原理及电路详解

作者:博友电子 发布时间:2021-03-04 17:49:29点击:
随着科技进步与社会发展,象手机、笔记本电脑、MP3 播放器、PDA、掌上游戏机、数码摄像机等便
携式设备已越来越普及,这类产品中有许多是采用锂离子电池供电,而由于锂离子电池的特性与其它可充
电电池不同,内部通常都带有一块电路板,不少人对该电路的作用不了解,本文将对锂离子电池的特点及
其保护电路工作原理进行阐述。锂电池分为一次电池和二次电池两类,目前在部分耗电量较低的便携式电
子产品中主要使用不可充电的一次锂电池,而在笔记本电脑、手机、PDA、数码相机等耗电量较大的电子
产品中则使用可充电的二次电池,即锂离子电池。
与镍镉和镍氢电池相比,锂离子电池具备以下几个优点: 1、 电压高,单节锂离子电池的电压可达到 3.6V,远高于镍镉和镍氢电池的 1.2V 电压。 2、 容量密度大,其容量密度是镍氢电池或镍镉电池的 1.5-2.5 倍。 3、 荷电保持能力强(即自放电小),在放置很长时间后其容量损失也很小。 4、 寿命长,正常使用其循环寿命可达到 500 次以上。 5、 没有记忆效应,在充电前不必将剩余电量放空,使用方便。
由于锂离子电池的化学特性,在正常使用过程中,其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应,
在某些条件下,如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应,该副反应加剧后,
严重影响电池的性能与使用寿命,并可能产生大量气体,使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全
问题,因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路,用于对电池的充、放电状态进行有效监测,并在
某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。
下图为一个典型的锂离子电池保护电路原理图
锂电池保护电路图
如上图所示,该保护回路由两个 MOSFET(V1、V2)和一个控制 IC(N1)外加一些阻容元件构成。控 制
IC 负责监测电池电压与回路电流,并控制两个 MOSFET 的栅极,MOSFET 在电路中起开关作用,分别控
制着充电回路与放电回路的导通与关断,C3 为延时电容,该电路具有过充电保护、过放电保护、过电
流保
护与短路保护功能,其工作原理分析如下: 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,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,如果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(该值由控制 IC 决定,不同的 IC 有
不同的值)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
充电器无法再对电池进行充电,起到过充电保护作用。而此时由于 V2 自带的体二极管 VD2 的存在,电池
3
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,以避免因干扰而造成误判断。 3、过放电保护
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,此时如果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,起到过放电保护作用。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,以避免因干扰而
造成误判断。 4、过电流保护
由于锂离子电池的化学特性,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。
电池在对负载正常放电过程中,放电电流在经过串联的 2 个 MOSFET 时,由于 MOSFET 的导通阻抗,会
在其两端产生一个电压,该电压值 U=I*RDS*2, RDS为单个 MOSFET 导通阻抗,控制 IC 上的“V-”脚对该电
压值进行检测,若负载因某种原因导致异常,使回路电流增大,当回路电流大到使 U>0.1V(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,使回路中电流为零,起到过电流保护作用。
在控制 IC 检测到过电流发生至发出关断 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,通常为 13 毫秒左右,以避免因干扰而造成误判断。
在上述控制过程中可知,其过电流检测值大小不仅取决于控制 IC 的控制值,还取决于 MOSFET 的导通
4
阻抗,当 MOSFET 导通阻抗越大时,对同样的控制 IC,其过电流保护值越小。 5、短路保护
电池在对负载放电过程中,若回路电流大到使 U>0.9V(该值由控制 IC 决定,不同的 IC 有不同的值) 时,控制 IC 则判断为负载短路,其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压,使 V1 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 7 微秒。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。
以上详细阐述了单节锂离子电池保护电路的工作原理,多节串联锂离子电池的保护原理与之类似,在
此不再赘述,上面电路中所用的控制 IC 为日本理光公司的 R5421 系列,在实际的电池保护电路中,还有
许多其它类型的控制 IC,如:
日本理光的 R5426 系列、R5400 系列
日本精工的 S-8241 系列、S-8261 系列;
日本 MITSUMI 的 MM3061 系列;
台湾新德科技的 NT1854 系列和 CS213;
等等,其工作原理大同小异,只是在具体参数上有所差别,有些控制 IC 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,其外围电路可以很少,如日本理光的 R5400 系列、台湾新德的 NT1854
系列。
除了控制 IC 外,电路中还有一个重要元件,就是 MOSFET,它在电路中起着开关的作用,由于它直接
串接在电池与外部负载之间,因此它的导通阻抗对电池的性能有影响,当选用的 MOSFET 较好时,其导通
阻抗很小,电池包的内阻就小,带载能力也强,在放电时其消耗的电能也少。 常用的有如:三洋 SANYO、
NEC、东芝、ST、PHILIPS、AOS 等通常为集成双 MOSFET 电路。
随着科技的发展,便携式设备的体积越做越小,而随着这种趋势,对锂离子电池的保护电路体积的要
求也越来越小,在这两年已出现了将控制 IC 和 MOSFET 整合成一颗保护 IC 的产品,如 DIALOG 公司的 DA7112
系列,有的厂家甚至将整个保护电路封装成一颗小尺寸的 IC,如 MITSUMI 公司的产品。
锂电池保护电路图

锂电池保护电路图
锂电池保护电路图
锂电池保护电路需要用到的元器件

 

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