电池电路工作原理介绍
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2020-08-12
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电池电路工作原理介绍电池电路工作原理介绍
电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能,本文详细介绍了其工作原理分析。
1、正常状态
在正常状态下电路中N1的“CO"与“DO"脚都输出高电压,两个MOSFET都处于导通状态,电池可以自由地进行充电和放电,由于
MOSFET的导通阻抗很小,通常小于30毫欧,因此其导通电阻对电路的性能影响很小。 7|此状态下保护电路的消耗电流为μA级,
通常小于7μA。
2、过充电保护
锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压,在充电初期,为恒流充电,随着充电过程,电压会上升到4.2V(根据正极材料不同,有的电池
要求恒压值为4.1V),转为恒压充电,直至电流越来越小。电池在被充电过程中,如果充电器电路失去控制,会使电池电压超过4.2V
后继续恒流充电,此时电池电压仍会继续上升,当电池电压被充电至超过4.3V时,电池的化学副反应将加剧,会导致电池损坏或出
现安全问题。
在带有保护电路的电池中,当控制IC检测到电池电压达到4.28V（该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值）时,其“CO"脚将由高
电压转变为零电压,使V2由导通转为关断,从而切断了充电回路,使充电器无法再对电池进行充电,起到过充电保护作用。而此时
由于V2自带的体二极管VD2的存在,电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。
在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间,还有一段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,通常设为1秒左右,
以避免因干扰而造成误判断。
3、过放电保护
电池在对外部负载放电过程中,其电压会随着放电过程逐渐降低,当电池电压降至2.5V时,其容量已被完全放光,此时如果让电池
继续对负载放电,将造成电池的永久性损坏。
在电池放电过程中,当控制IC检测到电池电压低于2.3V（该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值）时,其“DO"脚将由高电压转变
为零电压,使V1由导通转为关断,从而切断了放电回路,使电池无法再对负载进行放电,起到过放电保护作用。而此时由于V1自带
的体二极管VD1的存在,充电器可以通过该二极管对电池进行充电。
由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低,因此要求保护电路的消耗电流极小,此时控制IC会进入低功耗状态,整个保护电路
耗电会小于0.1μA。
在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间,也有一段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,通常设为100毫秒左
右,以避免因干扰而造成误判断。
4、过电流保护
由于锂离子电池的化学特性,电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过 2C（C=电池容量/小时）,当电池超过2C电流放电
时,将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。
电池在对负载正常放电过程中,放电电流在经过串联的2个MOSFET时,由于MOSFET的导通阻抗,会在其两端产生一个电压,该电
压值U=I*RDS*2, RDS为单个MOSFET导通阻抗,控制IC上的“V-"脚对该电压值进行检测,若负载因某种原因导致异常,使回路电
流增大,当回路电流大到使U>0.1V（该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值）时,其“DO"脚将由高电压转变为零电压,使V1由导
通转为关断,从而切断了放电回路,使回路中电流为零,起到过电流保护作用。
在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间,也有一段延时时间,该延时时间的长短由C3决定,通常为13毫秒左右,以避免
因干扰而造成误判断。
在上述控制过程中可知,其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值,还取决于MOSFET的导通阻抗,当MOSFET导通阻抗
越大时,对同样的控制IC,其过电流保护值越小。
5、短路保护
电池在对负载放电过程中,若回路电流大到使U>0.9V（该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值）时,控制IC则判断为负载短路,
其“DO"脚将迅速由高电压转变为零电压,使V1由导通转为关断,从而切断放电回路,起到短路保护作用。短路保护的延时时间极
短,通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似,只是判断方法不同,保护延时时间也不一样。
以上详细阐述了单节锂离子电池保护电路的工作原理,多节串联锂离子电池的保护原理与之类似,在此不再赘述,上面电路中所用
的控制IC为日本理光公司的R5421系列,在实际的电池保护电路中,还有许多其它类型的控制IC,如日本精工的S-8241系列、日本
MITSUMI的MM3061系列、台湾富晶的FS312和FS313系列、台湾类比科技的AAT8632系列等等,其工作原理大同小异,只是在
具体参数上有所差别,有些控制IC为了节省外围电路,将滤波电容和延时电容做到了芯片内部,其外围电路可以很少,如日本精工的
S-8241系列。除了控制IC外,电路中还有一个重要元件,就是MOSFET,它在电路中起着开关的作用,由于它直接串接在电池与外
部负载之间,因此它的导通阻抗对电池的性能有影响,当选用的MOSFET较好时,其导通阻抗很小,电池包的内阻就小,带载能力也
强,在放电时其消耗的电能也少。
随着科技的发展,便携式设备的体积越做越小,而随着这种趋势,对锂离子电池的保护电路体积的要求也越来越小,在这两年已出现
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