鋰電池保護(hù)電路原理圖

鋰電池保護(hù)電路圖設(shè)計(jì)原理一般是有簡(jiǎn)單到復(fù)雜，是有一定的共性的，所不同的只是鋰電池保護(hù)板電路功能要求不同，電路才會(huì)有所不同。鋰電池需要保護(hù)，是由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路及超高溫充放電，因此鋰電池組件總會(huì)跟著一塊精致的保護(hù)板和一片電流保險(xiǎn)器出現(xiàn)。

鋰電池保護(hù)電路基礎(chǔ)原理圖：

鋰電池保護(hù)功能
鋰電池的保護(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。

典型的鋰電池保護(hù)電路原理圖

如上圖所示，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。控制ＩＣ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，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(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７μＡ。
２、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)榱汶妷海梗郑灿蓪?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。
３、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?，使Ｖ１由?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。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。
４、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＃够芈冯娏髟龃?，?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)榱汶妷海梗郑庇蓪?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。
５、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?，使Ｖ１由?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。
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。
5、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筎2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。

普通鋰電池保護(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。
在保護(hù)板正常的情況下，Vdd為高電平，Vss，VM為低電平，DO、CO為高電平，當(dāng)Vdd，Vss，VM任何一項(xiàng)參數(shù)變換時(shí)，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。

鋰電池的保護(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。
在保護(hù)板正常的情況下，Vdd為高電平，Vss，VM為低電平，DO、CO為高電平，當(dāng)Vdd，Vss，VM任何一項(xiàng)參數(shù)變換時(shí)，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。
1、過(guò)充電檢出電壓：在通常狀態(tài)下，Vdd逐漸提升至CO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
2、過(guò)充電解除電壓：在充電狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至CO端由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
3、過(guò)放電檢出電壓：通常狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
4、過(guò)放電解除電壓：在過(guò)放電狀態(tài)下，Vdd逐漸上升到DO端由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
5、過(guò)電流1檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM逐漸升至DO由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。
6、過(guò)電流2檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM從OV起以1ms以上4ms以下的速度升到DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。
7、負(fù)載短路檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM以O(shè)V起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。
8、充電器檢出電壓：在過(guò)放電狀態(tài)下，VM以O(shè)V逐漸下降至DO由低電平變?yōu)樽優(yōu)楦唠娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。
9、通常工作時(shí)消耗電流：在通常狀態(tài)下，流以VDD端子的電流（IDD）即為通常工作時(shí)消耗電流。
10、過(guò)放電消耗電流：在放電狀態(tài)下，流經(jīng)VDD端子的電流（IDD）即為過(guò)流放電消耗電流。