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汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源內(nèi)的鋰離子電池保護(hù)電路原理分析

來(lái)源:未知 作者:admin 點(diǎn)擊:發(fā)表時(shí)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(yàn)而設(shè)計(jì)了座椅加熱、空調(diào)、導(dǎo)航、信息娛樂(lè)、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。現(xiàn)在我們很難想像僅僅100多年以前的景象,那時(shí),在汽油動(dòng)力汽車中,一個(gè)電子組件都沒(méi)有。在世紀(jì)交替時(shí)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(diǎn),最大限度減少了機(jī)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(lái)越多的機(jī)械系統(tǒng)被電子系統(tǒng)取代,電量功耗變得越來(lái)越重要了。不管車主們使不使用汽車,都有可能因?yàn)槠囯娖侩娏坎蛔銓?dǎo)致無(wú)法啟動(dòng)的問(wèn)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(yīng)急啟動(dòng)電源。汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源的介紹這里就贅述了,具體可參考:http://www.tademellet.com/news/trade-news/20180830408.html

鋰離子電池的保護(hù)功能通常由保護(hù)電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成,保護(hù)板是由電子電路組成,在-40℃至85℃的環(huán)境下時(shí)刻準(zhǔn)確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流,及時(shí)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(hù)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(chǔ)器等。其中控制IC,在一切正常的情況下控制MOS開關(guān)導(dǎo)通,使電芯與外電路導(dǎo)通,而當(dāng)電芯電壓或回路電流超過(guò)規(guī)定值時(shí),它立刻控制MOS開關(guān)關(guān)斷,保護(hù)電芯的安全。

鋰離子電池保護(hù)板原理:

鋰離子電池保護(hù)電路圖

如圖中所示,該保護(hù)回路由兩個(gè)MOSFET(V1、V2)和一個(gè)控制IC(N1)外加一些阻容元件構(gòu)成??刂艻C負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電池電壓與回路電流,并控制兩個(gè)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(dǎo)通與關(guān)斷,C3為延時(shí)電容,該電路具有過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)與短路保護(hù)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(gè)MOSFET 都處于導(dǎo)通狀態(tài),電池可以自由地進(jìn)行充電和放電,由于MOSFET 的導(dǎo)通阻抗很小,通常小于30 毫歐,因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA 級(jí),通常小于7 μA。

二、過(guò)充電保護(hù)

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(guò)程,電壓會(huì)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(lái)越小。電池在被充電過(guò)程中,如果充電器電路失去控制,會(huì)使電池電壓超過(guò)4.2V后繼續(xù)恒流充電,此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升,當(dāng)電池電壓被充電至超過(guò)4.3V 時(shí),電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇,會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。在帶有保護(hù)電路的電池中,當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.28V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時(shí),其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?,使V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了充電回路,使充電器無(wú)法再對(duì)電池進(jìn)行充電,起到過(guò)充電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V2自帶的體二極管VD2的存在,電池可以通過(guò)該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行放電。在控制IC檢測(cè)到電池電壓超過(guò)4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號(hào)之間,還有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)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(guò)放電保護(hù)

電池在對(duì)外部負(fù)載放電過(guò)程中,其電壓會(huì)隨著放電過(guò)程逐漸降低,當(dāng)電池電壓降至2.5V時(shí),其容量已被完全放光,此時(shí)如果讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電,將造成電池的永久性損壞。在電池放電過(guò)程中,當(dāng)控制IC檢測(cè)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(shí),其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了放電回路,使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電,起到過(guò)放電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V1自帶的體二極管VD1的存在,充電器可以通過(guò)該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。由于在過(guò)放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低,因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小,此時(shí)控制IC會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài),整個(gè)保護(hù)電路耗電會(huì)小于0.1μA。在控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間,也有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)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(guò)電流保護(hù)

由于鋰離子電池的化學(xué)特性,電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過(guò)2C(C=電池容量/小時(shí)),當(dāng)電池超過(guò)2C電流放電時(shí),將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。電池在對(duì)負(fù)載正常放電過(guò)程中,放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí),由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗,會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓,該電壓值U=I*RDS *2, RDS為單個(gè)MOSFET導(dǎo)通阻抗,控制IC上的“V-”腳對(duì)該電壓值進(jìn)行檢測(cè),若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓?,使回路電流增大,?dāng)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(shí),其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?,使V1 由導(dǎo)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(guò)電流保護(hù)作用。在控制IC檢測(cè)到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間,也有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)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(guò)程中可知,其過(guò)電流檢測(cè)值大小不僅取決于控制IC的控制值,還取決于MOSFET的導(dǎo)通阻抗,當(dāng)MOSFET導(dǎo)通阻抗越大時(shí),對(duì)同樣的控制IC,其過(guò)電流保護(hù)值越小。

五、短路保護(hù)

電池在對(duì)負(fù)載放電過(guò)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(shí),控制IC則判斷為負(fù)載短路,其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷放電回路,起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短,通常小于7微秒。其工作原理與過(guò)電流保護(hù)類似,只是判斷方法不同,保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不一樣。

以上詳細(xì)闡述了單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路的工作原理,多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護(hù)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(gè)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(fù)載之間,因此它的導(dǎo)通阻抗對(duì)電池的性能有影響,當(dāng)選用的MOSFET較好時(shí),其導(dǎo)通阻抗很小,電池包的內(nèi)阻就小,帶載能力也強(qiáng),在放電時(shí)其消耗的電能也少。

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