中心議題:
- 與鎳鎘和鎳氫電池相比,鋰離子電池的優(yōu)勢
- 鋰電池保護電路原理
- 鋰電池保護電路狀態(tài)分析
隨著科技進步與社會發(fā)展,象手機、筆記本電腦、MP3播放器、PDA、掌上游戲機、數(shù)碼攝像機等便攜式設(shè)備已越來越普及,這類產(chǎn)品中有許多是采用鋰離子電池供電,而由于鋰離子電池的特性與其它可充電電池不同,內(nèi)部通常都帶有一塊電路板,不少人對該電路的作用不了解,本文將對鋰離子電池的特點及其保護電路工作原理進行闡述。
鋰電池分為一次電池和二次電池兩類,目前在部分耗電量較低的便攜式電子產(chǎn)品中主要使用不可充電的一次鋰電池,而在筆記本電腦、手機、PDA、數(shù)碼相機等耗電量較大的電子產(chǎn)品中則使用可充電的二次電池,即鋰離子電池。
與鎳鎘和鎳氫電池相比,鋰離子電池具備以下幾個優(yōu)點:
電壓高,單節(jié)鋰離子電池的電壓可達到3.6V,遠高于鎳鎘和鎳氫電池的1.2V 電壓。
容量密度大,其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5-2.5 倍。
荷電保持能力強(即自放電?。诜胖煤荛L時間后其容量損失也很小。
壽命長,正常使用其循環(huán)壽命可達到500 次以上。
沒有記憶效應(yīng),在充電前不必將剩余電量放空,使用方便。
由于鋰離子電池的化學特性,在正常使用過程中,其內(nèi)部進行電能與化學能相互轉(zhuǎn)化的化學正反應(yīng),但在某些條件下,如對其過充電、過放電和過電流將會導致電池內(nèi)部發(fā)生化學副反應(yīng),該副反應(yīng)加劇后,會嚴重影響電池的性能與使用壽命,并可能產(chǎn)生大量氣體,使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導致安全問題,因此所有的鋰離子電池都需要一個保護電路,用于對電池的充、放電狀態(tài)進行有效監(jiān)測,并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對電池發(fā)生損害。
下頁中的電路圖為一個典型的鋰離子電池保護電路原理圖。
如圖中所示,該保護回路由兩個MOSFET(V1、V2)和一個控制IC(N1)外加一些阻容元件構(gòu)成??刂艻C負責監(jiān)測電池電壓與回路電流,并控制兩個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通與關(guān)斷,C3為延時電容,該電路具有過充電保護、過放電保護、過電流保護與短路保護功能,其工作原理分析如下:
1、 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MOSFET 都處于導通狀態(tài),電池可以自由地進行充電和放電,由于MOSFET 的導通阻抗很小,通常小于30 毫歐,因此其導通電阻對電路的性能影響很小。
此狀態(tài)下保護電路的消耗電流為μA 級,通常小于7 μA。
2、 過充電保護
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,隨著充電過程,電壓會上升到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,直至電流越來越小。
電池在被充電過程中,如果充電器電路失去控制,會使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電,此時電池電壓仍會繼續(xù)上升,當電池電壓被充電至超過4.3V 時,電池的化學副反應(yīng)將加劇,會導致電池損壞或出現(xiàn)安全問題。
在帶有保護電路的電池中,當控制IC檢測到電池電壓達到4.28V(該值由控制IC決定,不同的IC 有不同的值)時,其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕2 由導通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了充電回路,使充電器無法再對電池進行充電,起到過充電保護作用。而此時由于V2 自帶的體二極管VD2 的存在,電池可以通過該二極管對外部負載進行放電。
在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號之間,還有一段延時時間,該延時時間的長短由C3 決定,通常設(shè)為1 秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。
3 、過放電保護
電池在對外部負載放電過程中,其電壓會隨著放電過程逐漸降低,當電池電壓降至2.5V時,其容量已被完全放光,此時如果讓電池繼續(xù)對負載放電,將造成電池的永久性損壞。
在電池放電過程中,當控制IC檢測到電池電壓低于2.3V(該值由控制IC決定,不同的IC 有不同的值)時,其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1 由導通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了放電回路,使電池無法再對負載進行放電,起到過放電保護作用。而此時由于V1 自帶的體二極管VD1 的存在,充電器可以通過該二極管對電池進行充電。
由于在過放電保護狀態(tài)下電池電壓不能再降低,因此要求保護電路的消耗電流極小,此時控制IC 會進入低功耗狀態(tài),整個保護電路耗電會小于0.1 μA。
在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間,也有一段延時時間,該延時時間的長短由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。
4、 過電流保護
由于鋰離子電池的化學特性,電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過2C(C= 電池容量/ 小時),當電池超過2C 電流放電時,將會導致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。
電池在對負載正常放電過程中,放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個MOSFET時,由于MOSFET的導通阻抗,會在其兩端產(chǎn)生一個電壓,該電壓值U=I*RDS *2, RDS 為單個MOSFET導通阻抗,控制IC上的“V-”腳對該電壓值進行檢測,若負載因某種原因?qū)е庐惓#够芈冯娏髟龃?,當回路電流大到使U>0.1V(該值由控制IC 決定,不同的IC 有不同的值)時,其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?,使V1 由導通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了放電回路,使回路中電流為零,起到過電流保護作用。
在控制IC檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間,也有一段延時時間,該延時時間的長短由C3 決定,通常為13 毫秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。
在上述控制過程中可知,其過電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值,還取決于MOSFET的導通阻抗,當MOSFET 導通阻抗越大時,對同樣的控制IC,其過電流保護值越小。
5、 短路保護
電池在對負載放電過程中,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,控制IC 則判斷為負載短路,其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?,使V1由導通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷放電回路,起到短路保護作用。短路保護的延時時間極短,通常小于7 微秒。其工作原理與過電流保護類似,只是判斷方法不同,保護延時時間也不一樣。
以上詳細闡述了單節(jié)鋰離子電池保護電路的工作原理,多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護原理與之類似,在此不再贅述,上面電路中所用的控制IC 為日本理光公司的R5421 系列,在實際的電池保護電路中,還有許多其它類型的控制IC,如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、臺灣富晶的FS312 和FS313 系列、臺灣類比科技的AAT8632 系列等等,其工作原理大同小異,只是在具體參數(shù)上有所差別,有些控制IC 為了節(jié)省外圍電路,將濾波電容和延時電容做到了芯片內(nèi)部,其外圍電路可以很少,如日本精工的S-8241 系列。
除了控制IC外,電路中還有一個重要元件,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載之間,因此它的導通阻抗對電池的性能有影響,當選用的MOSFET較好時,其導通阻抗很小,電池包的內(nèi)阻就小,帶載能力也強,在放電時其消耗的電能也少。
隨著科技的發(fā)展,便攜式設(shè)備的體積越做越小,而隨著這種趨勢,對鋰離子電池的保護電路體積的要求也越來越小,在這兩年已出現(xiàn)了將控制IC 和MOSFET 整合成一顆保護IC 的產(chǎn)品,如DIALOG公司的DA7112系列,有的廠家甚至將整個保護電路封裝成一顆小尺寸的IC,如MITSUMI公司的產(chǎn)品。