锂离子电池保护电路设计

　　锂必须考虑充电、放电时的安全性,以防止特性劣化。但能量密度高,难以确保的安全性,在过度充电状态下,电池温度上升后能量将过剩,于是电解液分解而产生气体,容易使内压上升而产生自燃或破裂的危险;反之,在过度放电状态下,电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化,降低可充电次数。因此锂电池的过充、过度放电、过电流及短路很重要,所以通常都会在电池包内设计线路,用以锂电池。

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　　1.1 电路概述

　　电池保护电路包括过度充电保护、过电流/ 短路保护和过放电保护等,该电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全,并防止特性劣化。它主要由集成保护电路IC、贴片电阻、贴片电容、场效应管(MOSFET) 、有的还有热敏电阻(NTC) 、识别电阻( ID) 、保险丝( FUSE) 等构成。其电路图如图1所示。

　　图1 电池保护电路图

　　其中集成保护电路IC 用来检测保护电路当前的电压、电流、时间等参数以此来控制场效应管的开关状态;场效应管(MOSFET) 则根据保护IC 来控制回路中是否有需开或关; 贴片电阻用作限流; 贴片电容作用为滤波、调节延迟时间;热敏电阻用来检测电池块内的环境温度; 保险丝防止流过电池的电流过大,切断电流回路。

　　1.2 电路原理及参数确定

　　1.2.1 过度充电保护

　　当充电器对锂电池过度充电时,锂电池会因温度上升而导致内压上升,需终止当前充电的状态。此时,集成保护电路IC 需检测电池电压,当到达4.25V 时(假设电池过充电压临界点为4.25 V) 即激活过度充电保护,将功率MOS 由开转为切断,进而截止充电。另外,为防止由于噪音所产生的过度充电而误判为过充保护,因此需要设定延迟时间,并且延迟时间不能短于噪音的持续时间以免误判。过充电保护延时时间tvdet1计算公式为:

　　t vdet1 = { C3 ×( Vdd - 0. 7) }/ (0. 48 ×10 - 6 ) (1)

　　式中: Vdd为保护N1 的过充电检测电压值。

　　简便计算延时时间: t = C3/ 0. 01 ×77 (ms) (2)

　　如若C3 容值为0.22 F ,则延时值为:0. 22 /0. 01 ×77 = 1694 (ms)

　　1.2.2 过度放电保护

　　在过度放电的情况下,电解液因分解而导致电池特性劣化,并造成充电次数的降低。过度放电保护IC 原理:为了防止锂电池的过度放电状态,假设锂电池接上负载,当锂电池电压低于其过度放电电压检测点(假定为2.3 V) 时将激活过度放电保护,使功率MOS FET 由开转变为切断而截止放电,以避免电池过度放电现象产生,并将电池保持在低静态电流的待机模式,此时的电流仅0.1μA 。当锂电池接上充电器,且此时锂电池电压高于过度放电电压时,过度放电保护功能方可解除。另外,考虑到脉冲放电的情况,过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误动作。

　　1.2.3 过电流及短路电流保护

　　因为不明原因(放电时或正负极遭金属物误触) 造成过电流或短路,为确保安全,必须使其立即停止放电。过电流保护IC 原理为,当放电电流过大或短路情况产生时,保护IC 将激活过(短路) 电流保护,此时过电流的检测是将功率MOSFET 的Rds (on) 当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形,如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电,运算公式为:

　　V_ = I ×Rds ( on) ×2 ( V_为过电流检测电压, I 为放电电流) (3)假设V_ = 0. 2V , Rds (on) = 25 mΩ,则保护电流的大小为I = 4 A 。

　　同样,过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时产生误动作。通常在过电流产生后,若能去除过电流因素(例如马上与负载脱离) ,将会恢复其正常状态,可以再进行正常的充放电动作。

　　2 结束语

　　在进行保护时使电池充电到饱满的状态是使用者很关心的问题,同时兼顾到安全性问题,因此需要在达到容许电压时截止充电状态。要同时符合这两个条件,必须有高精密度的检测器,目前检测器的精密度为25 mV 。另外还必须考虑到集成保护电路IC 功耗、耐高电压问题。此外为了使功率MOSFET的Rds ( on) 在充电电流与放电电流时有效应用, 需使该阻抗值尽量低, 目前该阻抗约为20～30 mΩ,这样过电流检测电压就可较低。