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鋰離子電池保護板原理詳解

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年11月10日  

鋰離子電池的維護功用一般由維護電路板和PTC等電流器材協同完結,維護板是由電子電路組成,在-40℃至+85℃的環境下時刻準確的監視電芯的電壓和充放回路的電流,及時操控電流回路的通斷;PTC在高溫環境下防止電池發生惡劣的損壞。


一般鋰離子電池維護板一般包括操控IC、MOS開關、電阻、電容及輔助器材FUSE、PTC、NTC、ID、存儲器等。其中操控IC,在一切正常的情況下操控MOS開關導通,使電芯與外電路導通,而當電芯電壓或回路電流超越規定值時,它馬上操控MOS開關關斷,維護電芯的安全。


在維護板正常的情況下,Vdd為高電平,Vss,VM為低電平,DO、CO為高電平,當Vdd,Vss,VM任何一項參數改換時,DO或CO端的電平將發生變化。


1、過充電檢出電壓:在一般狀況下,Vdd逐步提升至CO端由高電平變為低電平時VDD-VSS間電壓。


2、過充電免除電壓:在充電狀況下,Vdd逐步下降至CO端由低電平變為高電平時VDD-VSS間電壓。


3、過放電檢出電壓:一般狀況下,Vdd逐步下降至DO端由高電平變為低電平時VDD-VSS間電壓。


4、過放電免除電壓:在過放電狀況下,Vdd逐步上升到DO端由低電平變為高電平時VDD-VSS間電壓。


5、過電流1檢出電壓:在一般狀況下,VM逐步升至DO由高電平變為低電平時VM-VSS間電壓。


6、過電流2檢出電壓:在一般狀況下,VM從OV起以1ms以上4ms以下的速度升到DO端由高電平變為低電平時VM-VSS間電壓。


7、負載短路檢出電壓:在一般狀況下,VM以OV起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高電平變為低電平時VM-VSS間電壓。


8、充電器檢出電壓:在過放電狀況下,VM以OV逐步下降至DO由低電平變為變為高電平時VM-VSS間電壓。


9、一般作業時耗費電流:在一般狀況下,流以VDD端子的電流(IDD)即為一般作業時耗費電流。


10、過放電耗費電流:在放電狀況下,流經VDD端子的電流(IDD)即為過流放電耗費電流。


1、一般狀況:電池電壓在過放電檢出電壓以上(2.75V以上),過充電檢出電壓以下(4.3V以下),VM端子的電壓在充電器檢出電壓以上,在過電流/檢出電壓以下(OV)的情況下,IC通過監視連接在VDD-VSS間的電壓差及VM-VSS間的電壓差而操控MOS管,DO、CO端都為高電平,MOS管處導通狀況,這時能夠自在的充電和放電;


當電池被充電使電壓超越設定值VC(4.25-4.35V)后,VD1翻轉使Cout變為低電平,T1截止,充電停止,當電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V)時,Cout變為高電平,T1導通充電持續,VCR小于VC一個定值,以防止電流頻繁跳變。


當電池電壓因放電而下降至設定值VD(2.3-2.5V)時,VD2翻轉,以IC內部固定的短時刻延時后,使Dout變為低電平,T2截止,放電停止。


當電路放電電流超越設定值或輸出被短路時,過流、短路檢測電路動作,使MOS管(T2)關斷,電流截止。


該維護回路由兩個MOSFET(T1、T2)和一個操控IC(N1)外加一些阻容元件構成。操控


IC擔任監測電池電壓與回路電流,并操控兩個MOSFET的柵極,MOSFET在電路中起開關效果,分別控


制著充電回路與放電回路的導通與關斷,C2為延時電容,該電路具有過充電維護、過放電維護、過電流保


護與短路維護功用,其作業原理剖析如下:


1、正常狀況


在正常狀況下電路中N1的CO與DO腳都輸出高電壓,兩個MOSFET都處于導通狀況,電池能夠自在地進行充電和放電,因為MOSFET的導通阻抗很小,一般小于30毫歐,因而其導通電阻對電路的功能影響很小。


此狀況下維護電路的耗費電流為μA級,一般小于7μA。


2、過充電維護


鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓,在充電初期,為恒流充電,跟著充電進程,電壓會上升到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,直至電流越來越小。


電池在被充電進程中,假如充電器電路失掉操控,會使電池電壓超越4.2V后持續恒流充電,此刻電池電壓仍會持續上升,當電池電壓被充電至超越4.3V時,電池的化學副反應將加重,會導致電池損壞或呈現安全問題。


在帶有維護電路的電池中,當操控IC檢測到電池電壓達到4.28V(該值由操控IC決議,不同的IC有不同的值)時,其CO腳將由高電壓轉變為零電壓,使T1由導通轉為關斷,然后堵截了充電回路,使充電器無法再對電池進行充電,起到過充電維護效果。而此刻因為T1自帶的體二極管VD1的存在,電池能夠通過該二極管對外部負載進行放電。


在操控IC檢測到電池電壓超越4.28V至宣布關斷T1信號之間,還有一段延時時刻,該延時時刻的長短由C2決議,一般設為1秒左右,以防止因攪擾而造成誤判別。


3、過放電維護


電池在對外部負載放電進程中,其電壓會跟著放電進程逐步下降,當電池電壓降至2.5V時,其容量已被徹底放光,此刻假如讓電池持續對負載放電,將造成電池的永久性損壞。


在電池放電進程中,當操控IC檢測到電池電壓低于2.3V(該值由操控IC決議,不同的IC有不同的值)時,其DO腳將由高電壓轉變為零電壓,使T2由導通轉為關斷,然后堵截了放電回路,使電池無法再對負載進行放電,起到過放電維護效果。而此刻因為T2自帶的體二極管VD2的存在,充電器能夠通過該二極管對電池進行充電。


因為在過放電維護狀況下電池電壓不能再下降,因而要求維護電路的耗費電流極小,此刻操控IC會進入低功耗狀況,整個維護電路耗電會小于0.1μA。在操控IC檢測到電池電壓低于2.3V至宣布關斷T2信號之間,也有一段延時時刻,該延時時刻的長短由C2決議,一般設為100毫秒左右,以防止因攪擾而造成誤判別。


4、過電流維護


因為鋰離子電池的化學特性,電池生產廠家規定了其放電電流最大不能超越2C(C=電池容量/小時),當電池超越2C電流放電時,將會導致電池的永久性損壞或呈現安全問題。


電池在對負載正常放電進程中,放電電流在通過串聯的2個MOSFET時,因為MOSFET的導通阻抗,會在其兩端出現一個電壓,該電壓值U=I*RDS*2,RDS為單個MOSFET導通阻抗,操控IC上的V-腳對該電壓值進行檢測,若負載因某種原因導致反常,使回路電流增大,當回路電流大到使U>0.1V(該值由操控IC決議,不同的IC有不同的值)時,其DO腳將由高電壓轉變為零電壓,使T2由導通轉為關斷,然后堵截了放電回路,使回路中電流為零,起到過電流維護效果。


在操控IC檢測到過電流發生至宣布關斷T2信號之間,也有一段延時時刻,該延時時刻的長短由C2決議,一般為13毫秒左右,以防止因攪擾而造成誤判別。


在上述操控進程中可知,其過電流檢測值大小不僅取決于操控IC的操控值,還取決于MOSFET的導通阻抗,當MOSFET導通阻抗越大時,對相同的操控IC,其過電流維護值越小。


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