中心議題：

• 介紹鋰離子電池保護(hù)電路的原理及主要設(shè)計(jì)思路
• 通過計(jì)算確定該電路的相關(guān)參數(shù)

解決方案：

• 在電池包內(nèi)設(shè)計(jì)保護(hù)線路,保護(hù)鋰電池
• 不明原因造成過電流或短路時(shí),必須使鋰電池立即停止放電

近年來,鋰電池由于具有體積小、質(zhì)量輕、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、電池電壓高和自放電率低等優(yōu)點(diǎn),因而在PDA 、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、便攜式音訊設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備等越來越多的產(chǎn)品上采用鋰電池作為主要電源。但鋰電池與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣,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,在過度充電狀態(tài)下,電池溫度上升后能量將過剩,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)。因此鋰電池的過充、過度放電、過電流及短路保護(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。

電路設(shè)計(jì)
a.電路概述
鋰離子電池保護(hù)電路包括過度充電保護(hù)、過電流/ 短路保護(hù)和過放電保護(hù)等,該電路就是要確保這樣的過度充電及放電狀態(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。
 

圖1 　鋰離子電池保護(hù)電路圖

其中集成保護(hù)電路IC 用來檢測保護(hù)電路當(dāng)前的電壓、電流、時(shí)間等參數(shù)以此來控制場效應(yīng)管的開關(guān)狀態(tài);場效應(yīng)管(MOSFET) 則根據(jù)保護(hù)IC 來控制回路中是否有需開或關(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;熱敏電阻用來檢測電池塊內(nèi)的環(huán)境溫度; 保險(xiǎn)絲防止流過電池的電流過大,切斷電流回路。

b.電路原理及參數(shù)確定
過度充電保護(hù)
當(dāng)充電器對鋰電池過度充電時(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 需檢測電池電壓,當(dāng)?shù)竭_(dá)4.25V 時(shí)(假設(shè)電池過充電壓臨界點(diǎn)為4.25 V) 即激活過度充電保護(hù),將功率MOS 由開轉(zhuǎn)為切斷,進(jìn)而截止充電。另外,為防止由于噪音所產(chǎn)生的過度充電而誤判為過充保護(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。過充電保護(hù)延時(shí)時(shí)間tvdet1計(jì)算公式為:
　t vdet1 = { C3 ×( Vdd - 0. 7) }/ (0. 48 ×10 - 6 ) (1)
式中: Vdd為保護(hù)N1 的過充電檢測電壓值。
簡便計(jì)算延時(shí)時(shí)間: t = C3/ 0. 01 ×77 (ms) (2)
如若C3 容值為0.22 F ,則延時(shí)值為:0. 22 /0. 01 ×77 = 1694 (ms)

過度放電保護(hù)
在過度放電的情況下,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。過度放電保護(hù)IC 原理:為了防止鋰電池的過度放電狀態(tài),假設(shè)鋰電池接上負(fù)載,當(dāng)鋰電池電壓低于其過度放電電壓檢測點(diǎn)(假定為2.3 V) 時(shí)將激活過度放電保護(hù),使功率MOS FET 由開轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹?以避免電池過度放電現(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)鋰電池電壓高于過度放電電壓時(shí),過度放電保護(hù)功能方可解除。另外,考慮到脈沖放電的情況,過放電檢測電路設(shè)有延遲時(shí)間以避免產(chǎn)生誤動(dòng)作。

過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(hù)IC 原理為,當(dāng)放電電流過大或短路情況產(chǎn)生時(shí),保護(hù)IC 將激活過(短路) 電流保護(hù),此時(shí)過電流的檢測是將功率MOSFET 的Rds (on) 當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)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(yùn)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(shè)V_ = 0. 2V , Rds (on) = 25 mΩ,則保護(hù)電流的大小為I = 4 A 。
同樣,過電流檢測也必須設(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。通常在過電流產(chǎn)生后,若能去除過電流因素(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。

結(jié)束語
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)心的問題,同時(shí)兼顧到安全性問題,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器,目前檢測器的精密度為25 mV 。另外還必須考慮到集成保護(hù)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(shí)有效應(yīng)用, 需使該阻抗值盡量低, 目前該阻抗約為20～30 mΩ,這樣過電流檢測電壓就可較低。