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汽車應急啟動電源內(nèi)的鋰離子電池保護電路原理分析

來源:未知 作者:admin 點擊:發(fā)表時間:2018-10-08 16:26:49

在如今的汽車中,為了提高舒適度和行車體驗而設(shè)計了座椅加熱、空調(diào)、導航、信息娛樂、行車安全等系統(tǒng),從這些系統(tǒng)很容易理解在車中為各種功能供電的電子系統(tǒng)的好處?,F(xiàn)在我們很難想像僅僅100多年以前的景象,那時,在汽油動力汽車中,一個電子組件都沒有。在世紀交替時期的汽車開始有了手搖曲柄,前燈開始用乙炔氣照明,也可以用鈴聲向行人發(fā)出提示信息了。如今的汽車正處于徹底變成電子系統(tǒng)的交界點,最大限度減少了機械系統(tǒng)的采用,正在成為人們生活中最大、最昂貴的“數(shù)字化工具”。

隨著越來越多的機械系統(tǒng)被電子系統(tǒng)取代,電量功耗變得越來越重要了。不管車主們使不使用汽車,都有可能因為汽車電瓶電量不足導致無法啟動的問題。因此商家們又根據(jù)汽車電量而研發(fā)出一款電子產(chǎn)品——汽車應急啟動電源。汽車應急啟動電源的介紹這里就贅述了,具體可參考:http://njccz.com/news/trade-news/20180830408.html

鋰離子電池的保護功能通常由保護電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成,保護板是由電子電路組成,在-40℃至85℃的環(huán)境下時刻準確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流,及時控制電流回路的通斷;PTC在高溫環(huán)境下防止電池發(fā)生惡劣的損壞。普通鋰離子電池保護板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存儲器等。其中控制IC,在一切正常的情況下控制MOS開關(guān)導通,使電芯與外電路導通,而當電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時,它立刻控制MOS開關(guān)關(guān)斷,保護電芯的安全。

鋰離子電池保護板原理:

鋰離子電池保護電路圖

如圖中所示,該保護回路由兩個MOSFET(V1、V2)和一個控制IC(N1)外加一些阻容元件構(gòu)成??刂艻C負責監(jiān)測電池電壓與回路電流,并控制兩個MOSFET的柵極,MOSFET在電路中起開關(guān)作用,分別控制著充電回路與放電回路的導通與關(guān)斷,C3為延時電容,該電路具有過充電保護、過放電保護、過電流保護與短路保護功能。

一、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MOSFET 都處于導通狀態(tài),電池可以自由地進行充電和放電,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7 μA。

二、過充電保護

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,隨著充電過程,電壓會上升到4.2V(根據(jù)正極材料不同,有的電池要求恒壓值為4.1V),轉(zhuǎn)為恒壓充電,直至電流越來越小。電池在被充電過程中,如果充電器電路失去控制,會使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電,此時電池電壓仍會繼續(xù)上升,當電池電壓被充電至超過4.3V 時,電池的化學副反應將加劇,會導致電池損壞或出現(xiàn)安全問題。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(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時,其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?,使V2由導通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了充電回路,使充電器無法再對電池進行充電,起到過充電保護作用。而此時由于V2自帶的體二極管VD2的存在,電池可以通過該二極管對外部負載進行放電。在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號之間,還有一段延時時間,該延時時間的長短由C3決定,通常設(shè)為1秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。

三、過放電保護

電池在對外部負載放電過程中,其電壓會隨著放電過程逐漸降低,當電池電壓降至2.5V時,其容量已被完全放光,此時如果讓電池繼續(xù)對負載放電,將造成電池的永久性損壞。在電池放電過程中,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,其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1由導通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了放電回路,使電池無法再對負載進行放電,起到過放電保護作用。而此時由于V1自帶的體二極管VD1的存在,充電器可以通過該二極管對電池進行充電。由于在過放電保護狀態(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,此時控制IC會進入低功耗狀態(tài),整個保護電路耗電會小于0.1μA。在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間,也有一段延時時間,該延時時間的長短由C3決定,通常設(shè)為100毫秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。

四、過電流保護

由于鋰離子電池的化學特性,電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過2C(C=電池容量/小時),當電池超過2C電流放電時,將會導致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。電池在對負載正常放電過程中,放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個MOSFET時,由于MOSFET的導通阻抗,會在其兩端產(chǎn)生一個電壓,該電壓值U=I*RDS *2, RDS為單個MOSFET導通阻抗,控制IC上的“V-”腳對該電壓值進行檢測,若負載因某種原因?qū)е庐惓#够芈冯娏髟龃?,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,其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1 由導通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了放電回路,使回路中電流為零,起到過電流保護作用。在控制IC檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間,也有一段延時時間,該延時時間的長短由C3決定,通常為13毫秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。在上述控制過程中可知,其過電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值,還取決于MOSFET的導通阻抗,當MOSFET導通阻抗越大時,對同樣的控制IC,其過電流保護值越小。

五、短路保護

電池在對負載放電過程中,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,控制IC則判斷為負載短路,其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?,使V1由導通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷放電回路,起到短路保護作用。短路保護的延時時間極短,通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護類似,只是判斷方法不同,保護延時時間也不一樣。

以上詳細闡述了單節(jié)鋰離子電池保護電路的工作原理,多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護原理與之類似,在此不再贅述。除了控制IC外,電路中還有一個重要元件,就是MOSFET,它在電路中起著開關(guān)的作用,由于它直接串接在電池與外部負載之間,因此它的導通阻抗對電池的性能有影響,當選用的MOSFET較好時,其導通阻抗很小,電池包的內(nèi)阻就小,帶載能力也強,在放電時其消耗的電能也少。

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