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,在過度充電狀態下,電池溫度上升后能量將過剩,于是電解液分解而產生氣體,容易使內壓上升而產生自燃或破裂的危險;反之,在過度放電狀態下,電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化,降低可充電次數。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設計保護線路,用以保護鋰電池。

1電路設計

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、場效應管(MOSFET)、有的還有熱敏電阻(NTC)、識別電阻(ID)、保險絲(FUSE)等構成。其電路圖如圖1所示。

其中集成保護電路IC用來檢測保護電路當前的電壓、電流、時間等參數以此來控制場效應管的開關狀態;場效應管(MOSFET)則根據保護IC來控制回路中是否有需開或關;貼片電阻用作限流;貼片電容作用為濾波、調節延遲時間;熱敏電阻用來檢測電池塊內的環境溫度;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致內壓上升,需終止當前充電的狀態。此時,集成保護電路IC需檢測電池電壓,當到達4.25V時(假設電池過充電壓臨界點為4.25V)即激活過度充電保護,將功率MOS由開轉為切斷,進而截止充電。另外,為防止由于噪音所產生的過度充電而誤判為過充保護,因此需要設定延遲時間,并且延遲時間不能短于噪音的持續時間以免誤判。過充電保護延時時間tvdet1計算公式為:

tvdet1={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0.22F,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,電解液因分解而導致電池特性劣化,并造成充電次數的降低。過度放電保護IC原理:為了防止鋰電池的過度放電狀態,假設鋰電池接上負載,當鋰電池電壓低于其過度放電電壓檢測點(假定為2.3V)時將激活過度放電保護,使功率MOSFET由開轉變為切斷而截止放電,以避免電池過度放電現象產生,并將電池保持在低靜態電流的待機模式,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,過放電檢測電路設有延遲時間以避免產生誤動作。

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)當成感應阻抗用以監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V_=0.2V,Rds(on)=25mΩ,則保護電流的大小為I=4A。

同樣,過電流檢測也必須設有延遲時間以防有突發電流流入時產生誤動作。通常在過電流產生后,若能去除過電流因素(例如馬上與負載脫離),將會恢復其正常狀態,可以再進行正常的充放電動作。

2結束語

在進行保護電路設計時使電池充電到飽滿的狀態是使用者很關心的問題,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。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25mV。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用,需使該阻抗值盡量低,目前該阻抗約為20～30mΩ,這樣過電流檢測電壓就可較低。

一般常規充電是“兩階段恒電流充電”，此法既不浪費電力，充電時間短，對延長蓄電池使用壽命有利，同時計算蓄電池容量也容易得多。風力發電的情況，則不同于常規充電。

由于風速經常變化，電機輸出的電流時大時小，時有時無，這樣蓄電池充電電流和所需充電時間就很難確定。針對這種實際情況，我們采用如下兩種計算方法來確定配置蓄電池容量。

1.電量平衡計算法。

計算步驟如下：

a.根據當地氣象部門提供的風速資料，以十天為一時度，逐旬分別統計風機起始工作風速至停機風由范圍內的不同風速發生小時數。

b.根據選用的風力發電機的P=f(V)特性曲線和風速資料，計算—臺機逐旬所能發出的電量，并繪出其全年發電量過程曲線。圖—是根據內蒙察右后旗的風速資料計算繪制的商都牧機廠ED1.5～100型風機的年發電量過程線。計算得出該機在當地的風況下，年發電量為276度。從過程線看出各旬的發電量變化很大，最多的四月下旬為19度，最少的二月下旬僅0.95度、相差近20倍，說明配置蓄電池進行儲能調節是必要的。

C根據用電信況，計算出逐旬的用電量，并給出全年用電量過程線。附圖中虛線所示。

d.比較發電量和用電量過程線，以發電少于用電差值最大的時段(圖中斜線部分)的電量來確定所需蓄電池容量。圖中差值最大的電量為2。3度。需配置2300伏安時電池，實際選用12伏48安時蓄電池4塊。總容量2304伏安時。

2.經驗計算法

根據我們試點的經驗，在察右后旗、商都地區的風況下，也可采用以下公式簡便估算所需電池容量。即請登陸:輸配電設備網瀏覽更多信息

式中：Q——所需配置蓄電池容量(安時);

p——負載功率(瓦);

t——日用電小時數;

U——標準蓄電池電壓(一般為12伏);

n——電池儲備周期系數;(根據風況而確定，一般取3～8天)

K——放電控制系數、(取0.75～0.8)

上式考慮了：①用電設備的額定功率，②當地氣象情況，即無風期平均時間，⑧為了防止蓄電池過放電，放電應控制在一定程度。

仍以察右后旗為例，安裝一臺100瓦機，供3戶用電，每戶裝設12伏15瓦的燈泡2只平均每天照明5小時，計算所需配置的蓄電池容量。(儲備系數取6，放電控制系數取0.8)代入公式得：

選用6塊l2伏48安時蓄電池，總容量288安時。

確定標準電池時，必須注意：蓄電油組的容量應能安全接受風力發電機輸出的最大電流強度Imax。