鋰離子電池保護(hù)板原理詳解2021-06-21 08:13
鋰離子電池的維護(hù)功用一般由維護(hù)電路板和PTC等電流器材協(xié)同完結(jié)，維護(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)操控電流回路的通斷；PTC在高溫環(huán)境下防止電池發(fā)生惡劣的損壞。
一般鋰離子電池維護(hù)板一般包括操控IC、MOS開(kāi)關(guān)、電阻、電容及輔助器材FUSE、PTC、NTC、ID、存儲(chǔ)器等。其中操控IC，在一切正常的情況下操控MOS開(kāi)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越規(guī)定值時(shí)，它馬上操控MOS開(kāi)關(guān)關(guān)斷，維護(hù)電芯的安全。
在維護(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)改換時(shí)，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。
1、過(guò)充電檢出電壓：在一般狀況下，Vdd逐步提升至CO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
2、過(guò)充電免除電壓：在充電狀況下，Vdd逐步下降至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：一般狀況下，Vdd逐步下降至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
4、過(guò)放電免除電壓：在過(guò)放電狀況下，Vdd逐步上升到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：在一般狀況下，VM逐步升至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：在一般狀況下，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：在一般狀況下，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)放電狀況下，VM以O(shè)V逐步下降至DO由低電平變?yōu)樽優(yōu)楦唠娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。
9、一般作業(yè)時(shí)耗費(fèi)電流：在一般狀況下，流以VDD端子的電流（IDD）即為一般作業(yè)時(shí)耗費(fèi)電流。
10、過(guò)放電耗費(fèi)電流：在放電狀況下，流經(jīng)VDD端子的電流（IDD）即為過(guò)流放電耗費(fèi)電流。
1、一般狀況：電池電壓在過(guò)放電檢出電壓以上（2.75V以上），過(guò)充電檢出電壓以下（4.3V以下），VM端子的電壓在充電器檢出電壓以上，在過(guò)電流/檢出電壓以下（OV）的情況下，IC通過(guò)監(jiān)視連接在VDD-VSS間的電壓差及VM-VSS間的電壓差而操控MOS管，DO、CO端都為高電平，MOS管處導(dǎo)通狀況，這時(shí)能夠自在的充電和放電；
當(dāng)電池被充電使電壓超越設(shè)定值VC(4.25-4.35V)后，VD1翻轉(zhuǎn)使Cout變?yōu)榈碗娖?，T1截止，充電停止，當(dāng)電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V)時(shí)，Cout變?yōu)楦唠娖?，T1導(dǎo)通充電持續(xù)，VCR小于VC一個(gè)定值，以防止電流頻繁跳變。
當(dāng)電池電壓因放電而下降至設(shè)定值VD（2.3-2.5V）時(shí)，VD2翻轉(zhuǎn)，以IC內(nèi)部固定的短時(shí)刻延時(shí)后，使Dout變?yōu)榈碗娖?，T2截止，放電停止。
當(dāng)電路放電電流超越設(shè)定值或輸出被短路時(shí)，過(guò)流、短路檢測(cè)電路動(dòng)作，使MOS管（T2）關(guān)斷，電流截止。
該維護(hù)回路由兩個(gè)MOSFET（T1、T2）和一個(gè)操控IC（N1）外加一些阻容元件構(gòu)成。操控
IC擔(dān)任監(jiān)測(cè)電池電壓與回路電流，并操控兩個(gè)MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開(kāi)關(guān)效果，分別控
制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，C2為延時(shí)電容，該電路具有過(guò)充電維護(hù)、過(guò)放電維護(hù)、過(guò)電流保
護(hù)與短路維護(hù)功用，其作業(yè)原理剖析如下：
1、正常狀況
在正常狀況下電路中N1的CO與DO腳都輸出高電壓，兩個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通狀況，電池能夠自在地進(jìn)行充電和放電，因?yàn)镸OSFET的導(dǎo)通阻抗很小，一般小于30毫歐，因而其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的功能影響很小。
此狀況下維護(hù)電路的耗費(fèi)電流為μA級(jí)，一般小于7μA。
2、過(guò)充電維護(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，跟著充電進(jìn)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。
電池在被充電進(jìn)程中，假如充電器電路失掉操控，會(huì)使電池電壓超越4.2V后持續(xù)恒流充電，此刻電池電壓仍會(huì)持續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超越4.3V時(shí)，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加重，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或呈現(xiàn)安全問(wèn)題。
在帶有維護(hù)電路的電池中，當(dāng)操控IC檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.28V（該值由操控IC決議，不同的IC有不同的值）時(shí)，其CO腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筎1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，然后堵截了充電回路，使充電器無(wú)法再對(duì)電池進(jìn)行充電，起到過(guò)充電維護(hù)效果。而此刻因?yàn)門(mén)1自帶的體二極管VD1的存在，電池能夠通過(guò)該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行放電。
在操控IC檢測(cè)到電池電壓超越4.28V至宣布關(guān)斷T1信號(hào)之間，還有一段延時(shí)時(shí)刻，該延時(shí)時(shí)刻的長(zhǎng)短由C2決議，一般設(shè)為1秒左右，以防止因攪擾而造成誤判別。
3、過(guò)放電維護(hù)
電池在對(duì)外部負(fù)載放電進(jìn)程中，其電壓會(huì)跟著放電進(jìn)程逐步下降，當(dāng)電池電壓降至2.5V時(shí)，其容量已被徹底放光，此刻假如讓電池持續(xù)對(duì)負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。
在電池放電進(jìn)程中，當(dāng)操控IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V（該值由操控IC決議，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T2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，然后堵截了放電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到過(guò)放電維護(hù)效果。而此刻因?yàn)門(mén)2自帶的體二極管VD2的存在，充電器能夠通過(guò)該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。
因?yàn)樵谶^(guò)放電維護(hù)狀況下電池電壓不能再下降，因而要求維護(hù)電路的耗費(fèi)電流極小，此刻操控IC會(huì)進(jìn)入低功耗狀況，整個(gè)維護(hù)電路耗電會(huì)小于0.1μA。在操控IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V至宣布關(guān)斷T2信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)刻，該延時(shí)時(shí)刻的長(zhǎng)短由C2決議，一般設(shè)為100毫秒左右，以防止因攪擾而造成誤判別。
4、過(guò)電流維護(hù)
因?yàn)殇囯x子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠(chǎng)家規(guī)定了其放電電流最大不能超越2C（C=電池容量/小時(shí)），當(dāng)電池超越2C電流放電時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或呈現(xiàn)安全問(wèn)題。
電池在對(duì)負(fù)載正常放電進(jìn)程中，放電電流在通過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí)，因?yàn)镸OSFET的導(dǎo)通阻抗，會(huì)在其兩端出現(xiàn)一個(gè)電壓，該電壓值U=I*RDS*2,RDS為單個(gè)MOSFET導(dǎo)通阻抗，操控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路闯?，使回路電流增大，?dāng)回路電流大到使U>0.1V（該值由操控IC決議，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T2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，然后堵截了放電回路，使回路中電流為零，起到過(guò)電流維護(hù)效果。
在操控IC檢測(cè)到過(guò)電流發(fā)生至宣布關(guān)斷T2信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)刻，該延時(shí)時(shí)刻的長(zhǎng)短由C2決議，一般為13毫秒左右，以防止因攪擾而造成誤判別。
在上述操控進(jìn)程中可知，其過(guò)電流檢測(cè)值大小不僅取決于操控IC的操控值，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)相同的操控IC，其過(guò)電流維護(hù)值越小。
一般鋰離子電池維護(hù)板一般包括操控IC、MOS開(kāi)關(guān)、電阻、電容及輔助器材FUSE、PTC、NTC、ID、存儲(chǔ)器等。其中操控IC，在一切正常的情況下操控MOS開(kāi)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越規(guī)定值時(shí)，它馬上操控MOS開(kāi)關(guān)關(guān)斷，維護(hù)電芯的安全。
在維護(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)改換時(shí)，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。
1、過(guò)充電檢出電壓：在一般狀況下，Vdd逐步提升至CO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
2、過(guò)充電免除電壓：在充電狀況下，Vdd逐步下降至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：一般狀況下，Vdd逐步下降至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
4、過(guò)放電免除電壓：在過(guò)放電狀況下，Vdd逐步上升到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：在一般狀況下，VM逐步升至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：在一般狀況下，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：在一般狀況下，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)放電狀況下，VM以O(shè)V逐步下降至DO由低電平變?yōu)樽優(yōu)楦唠娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。
9、一般作業(yè)時(shí)耗費(fèi)電流：在一般狀況下，流以VDD端子的電流（IDD）即為一般作業(yè)時(shí)耗費(fèi)電流。
10、過(guò)放電耗費(fèi)電流：在放電狀況下，流經(jīng)VDD端子的電流（IDD）即為過(guò)流放電耗費(fèi)電流。
1、一般狀況：電池電壓在過(guò)放電檢出電壓以上（2.75V以上），過(guò)充電檢出電壓以下（4.3V以下），VM端子的電壓在充電器檢出電壓以上，在過(guò)電流/檢出電壓以下（OV）的情況下，IC通過(guò)監(jiān)視連接在VDD-VSS間的電壓差及VM-VSS間的電壓差而操控MOS管，DO、CO端都為高電平，MOS管處導(dǎo)通狀況，這時(shí)能夠自在的充電和放電；
當(dāng)電池被充電使電壓超越設(shè)定值VC(4.25-4.35V)后，VD1翻轉(zhuǎn)使Cout變?yōu)榈碗娖?，T1截止，充電停止，當(dāng)電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V)時(shí)，Cout變?yōu)楦唠娖?，T1導(dǎo)通充電持續(xù)，VCR小于VC一個(gè)定值，以防止電流頻繁跳變。
當(dāng)電池電壓因放電而下降至設(shè)定值VD（2.3-2.5V）時(shí)，VD2翻轉(zhuǎn)，以IC內(nèi)部固定的短時(shí)刻延時(shí)后，使Dout變?yōu)榈碗娖?，T2截止，放電停止。
當(dāng)電路放電電流超越設(shè)定值或輸出被短路時(shí)，過(guò)流、短路檢測(cè)電路動(dòng)作，使MOS管（T2）關(guān)斷，電流截止。
該維護(hù)回路由兩個(gè)MOSFET（T1、T2）和一個(gè)操控IC（N1）外加一些阻容元件構(gòu)成。操控
IC擔(dān)任監(jiān)測(cè)電池電壓與回路電流，并操控兩個(gè)MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開(kāi)關(guān)效果，分別控
制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，C2為延時(shí)電容，該電路具有過(guò)充電維護(hù)、過(guò)放電維護(hù)、過(guò)電流保
護(hù)與短路維護(hù)功用，其作業(yè)原理剖析如下：
1、正常狀況
在正常狀況下電路中N1的CO與DO腳都輸出高電壓，兩個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通狀況，電池能夠自在地進(jìn)行充電和放電，因?yàn)镸OSFET的導(dǎo)通阻抗很小，一般小于30毫歐，因而其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的功能影響很小。
此狀況下維護(hù)電路的耗費(fèi)電流為μA級(jí)，一般小于7μA。
2、過(guò)充電維護(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，跟著充電進(jìn)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。
電池在被充電進(jìn)程中，假如充電器電路失掉操控，會(huì)使電池電壓超越4.2V后持續(xù)恒流充電，此刻電池電壓仍會(huì)持續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超越4.3V時(shí)，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加重，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或呈現(xiàn)安全問(wèn)題。
在帶有維護(hù)電路的電池中，當(dāng)操控IC檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.28V（該值由操控IC決議，不同的IC有不同的值）時(shí)，其CO腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筎1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，然后堵截了充電回路，使充電器無(wú)法再對(duì)電池進(jìn)行充電，起到過(guò)充電維護(hù)效果。而此刻因?yàn)門(mén)1自帶的體二極管VD1的存在，電池能夠通過(guò)該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行放電。
在操控IC檢測(cè)到電池電壓超越4.28V至宣布關(guān)斷T1信號(hào)之間，還有一段延時(shí)時(shí)刻，該延時(shí)時(shí)刻的長(zhǎng)短由C2決議，一般設(shè)為1秒左右，以防止因攪擾而造成誤判別。
3、過(guò)放電維護(hù)
電池在對(duì)外部負(fù)載放電進(jìn)程中，其電壓會(huì)跟著放電進(jìn)程逐步下降，當(dāng)電池電壓降至2.5V時(shí)，其容量已被徹底放光，此刻假如讓電池持續(xù)對(duì)負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。
在電池放電進(jìn)程中，當(dāng)操控IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V（該值由操控IC決議，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T2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，然后堵截了放電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到過(guò)放電維護(hù)效果。而此刻因?yàn)門(mén)2自帶的體二極管VD2的存在，充電器能夠通過(guò)該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。
因?yàn)樵谶^(guò)放電維護(hù)狀況下電池電壓不能再下降，因而要求維護(hù)電路的耗費(fèi)電流極小，此刻操控IC會(huì)進(jìn)入低功耗狀況，整個(gè)維護(hù)電路耗電會(huì)小于0.1μA。在操控IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V至宣布關(guān)斷T2信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)刻，該延時(shí)時(shí)刻的長(zhǎng)短由C2決議，一般設(shè)為100毫秒左右，以防止因攪擾而造成誤判別。
4、過(guò)電流維護(hù)
因?yàn)殇囯x子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠(chǎng)家規(guī)定了其放電電流最大不能超越2C（C=電池容量/小時(shí)），當(dāng)電池超越2C電流放電時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或呈現(xiàn)安全問(wèn)題。
電池在對(duì)負(fù)載正常放電進(jìn)程中，放電電流在通過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí)，因?yàn)镸OSFET的導(dǎo)通阻抗，會(huì)在其兩端出現(xiàn)一個(gè)電壓，該電壓值U=I*RDS*2,RDS為單個(gè)MOSFET導(dǎo)通阻抗，操控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路闯?，使回路電流增大，?dāng)回路電流大到使U>0.1V（該值由操控IC決議，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T2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，然后堵截了放電回路，使回路中電流為零，起到過(guò)電流維護(hù)效果。
在操控IC檢測(cè)到過(guò)電流發(fā)生至宣布關(guān)斷T2信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)刻，該延時(shí)時(shí)刻的長(zhǎng)短由C2決議，一般為13毫秒左右，以防止因攪擾而造成誤判別。
在上述操控進(jìn)程中可知，其過(guò)電流檢測(cè)值大小不僅取決于操控IC的操控值，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)相同的操控IC，其過(guò)電流維護(hù)值越小。
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