鋰電池必須考慮充電、放電時(shí)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(guò)度充電狀態(tài)下,電池溫度上升后能量將過(guò)剩,于是電解液分解而產(chǎn)生氣體,容易使內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險(xiǎn);反之,在過(guò)度放電狀態(tài)下,電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化,降低可充電次數(shù)。因此鋰電池的過(guò)充、過(guò)度放電、過(guò)電流及短路保護(hù)很重要,所以通常都會(huì)在電池包內(nèi)設(shè)計(jì)保護(hù)線路,用以保護(hù)鋰電池。

1電路設(shè)計(jì)

1.1電路概述

鋰離子電池保護(hù)電路包括過(guò)度充電保護(hù)、過(guò)電流/短路保護(hù)和過(guò)放電保護(hù)等,該電路就是要確保這樣的過(guò)度充電及放電狀態(tài)時(shí)的安全,并防止特性劣化。它主要由集成保護(hù)電路IC、貼片電阻、貼片電容、場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)、有的還有熱敏電阻(NTC)、識(shí)別電阻(ID)、保險(xiǎn)絲(FUSE)等構(gòu)成。其電路圖如圖1所示。

其中集成保護(hù)電路IC用來(lái)檢測(cè)保護(hù)電路當(dāng)前的電壓、電流、時(shí)間等參數(shù)以此來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài);場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)則根據(jù)保護(hù)IC來(lái)控制回路中是否有需開(kāi)或關(guān);貼片電阻用作限流;貼片電容作用為濾波、調(diào)節(jié)延遲時(shí)間;熱敏電阻用來(lái)檢測(cè)電池塊內(nèi)的環(huán)境溫度;保險(xiǎn)絲防止流過(guò)電池的電流過(guò)大,切斷電流回路。

1.2電路原理及參數(shù)確定

1.2.1過(guò)度充電保護(hù)

當(dāng)充電器對(duì)鋰電池過(guò)度充電時(shí),鋰電池會(huì)因溫度上升而導(dǎo)致內(nèi)壓上升,需終止當(dāng)前充電的狀態(tài)。此時(shí),集成保護(hù)電路IC需檢測(cè)電池電壓,當(dāng)?shù)竭_(dá)4.25V時(shí)(假設(shè)電池過(guò)充電壓臨界點(diǎn)為4.25V)即激活過(guò)度充電保護(hù),將功率MOS由開(kāi)轉(zhuǎn)為切斷,進(jìn)而截止充電。另外,為防止由于噪音所產(chǎn)生的過(guò)度充電而誤判為過(guò)充保護(hù),因此需要設(shè)定延遲時(shí)間,并且延遲時(shí)間不能短于噪音的持續(xù)時(shí)間以免誤判。過(guò)充電保護(hù)延時(shí)時(shí)間tvdet1計(jì)算公式為:

tvdet1={C3×(Vdd-0.7)}/(0.48×10-6)(1)

式中:Vdd為保護(hù)N1的過(guò)充電檢測(cè)電壓值。

簡(jiǎn)便計(jì)算延時(shí)時(shí)間:t=C3/0.01×77(ms)(2)

如若C3容值為0.22F,則延時(shí)值為:0.22/0.01×77=1694(ms)

1.2.2過(guò)度放電保護(hù)

在過(guò)度放電的情況下,電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化,并造成充電次數(shù)的降低。過(guò)度放電保護(hù)IC原理:為了防止鋰電池的過(guò)度放電狀態(tài),假設(shè)鋰電池接上負(fù)載,當(dāng)鋰電池電壓低于其過(guò)度放電電壓檢測(cè)點(diǎn)(假定為2.3V)時(shí)將激活過(guò)度放電保護(hù),使功率MOSFET由開(kāi)轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹?以避免電池過(guò)度放電現(xiàn)象產(chǎn)生,并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式,此時(shí)的電流僅0.1μA。當(dāng)鋰電池接上充電器,且此時(shí)鋰電池電壓高于過(guò)度放電電壓時(shí),過(guò)度放電保護(hù)功能方可解除。另外,考慮到脈沖放電的情況,過(guò)放電檢測(cè)電路設(shè)有延遲時(shí)間以避免產(chǎn)生誤動(dòng)作。

1.2.3過(guò)電流及短路電流保護(hù)

因?yàn)椴幻髟?放電時(shí)或正負(fù)極遭金屬物誤觸)造成過(guò)電流或短路,為確保安全,必須使其立即停止放電。過(guò)電流保護(hù)IC原理為,當(dāng)放電電流過(guò)大或短路情況產(chǎn)生時(shí),保護(hù)IC將激活過(guò)(短路)電流保護(hù),此時(shí)過(guò)電流的檢測(cè)是將功率MOSFET的Rds(on)當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測(cè)其電壓的下降情形,如果比所定的過(guò)電流檢測(cè)電壓還高則停止放電,運(yùn)算公式為:

V_=I×Rds(on)×2(V_為過(guò)電流檢測(cè)電壓,I為放電電流)(3)假設(shè)V_=0.2V,Rds(on)=25mΩ,則保護(hù)電流的大小為I=4A。

同樣,過(guò)電流檢測(cè)也必須設(shè)有延遲時(shí)間以防有突發(fā)電流流入時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作。通常在過(guò)電流產(chǎn)生后,若能去除過(guò)電流因素(例如馬上與負(fù)載脫離),將會(huì)恢復(fù)其正常狀態(tài),可以再進(jìn)行正常的充放電動(dòng)作。

2結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行保護(hù)電路設(shè)計(jì)時(shí)使電池充電到飽滿的狀態(tài)是使用者很關(guān)心的問(wèn)題,同時(shí)兼顧到安全性問(wèn)題,因此需要在達(dá)到容許電壓時(shí)截止充電狀態(tài)。要同時(shí)符合這兩個(gè)條件,必須有高精密度的檢測(cè)器,目前檢測(cè)器的精密度為25mV。另外還必須考慮到集成保護(hù)電路IC功耗、耐高電壓?jiǎn)栴}。此外為了使功率MOSFET的Rds(on)在充電電流與放電電流時(shí)有效應(yīng)用,需使該阻抗值盡量低,目前該阻抗約為20～30mΩ,這樣過(guò)電流檢測(cè)電壓就可較低。