18650鋰電池的保護(hù)板怎么設(shè)計(jì)
18650鋰電池行業(yè)應(yīng)用化相對(duì)比較廣泛,目前主要流行的是18650鋰離子電池,其他種類的18650電池早已開始漸漸地撤出市場(chǎng)。那么18650鋰電池保護(hù)板怎么設(shè)計(jì)?這個(gè)18650鋰電池保護(hù)板不是固定不動(dòng)的,基本上是定制類的電池保護(hù)板。
鋰電池的保護(hù)功能一般而言由保護(hù)電路板和PTC等電流器件協(xié)同工作進(jìn)行,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控制回路的電流,及時(shí)性控制電流控制回路的通斷;PTC在高溫環(huán)境下避免 電池發(fā)生惡劣的損壞。
普通18650鋰電池保護(hù)板一般而言包括控制IC、MOS電源開關(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電源開關(guān)通斷,使電芯與外電路通斷,而當(dāng)電芯電壓或控制回路電流超出標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),它立刻控制MOS電源開關(guān)關(guān)斷,保護(hù)電芯的安全。
在鋰電池保護(hù)板正常情況下的情況下,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端的電平將產(chǎn)生變化。
1、正常情況下狀態(tài)
在正常情況下狀態(tài)下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓,兩個(gè)MOSFET都處于通斷狀態(tài),電池可以自由地進(jìn)行充電和放電,考慮到MOSFET的通斷阻抗比較小 ,一般而言小于30毫歐,因此其通斷電阻對(duì)電路的性能指標(biāo)影響比較小 。此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí),一般而言小于7μA。
2、過充電保護(hù)
鋰離子電池規(guī)定要求的充電方式為恒流電源/恒壓,在充電初期,為恒流電源充電,隨著充電整個(gè)過程,電壓會(huì)上升到4.2V(根據(jù)正極材料不同,有的電池規(guī)定要求恒壓值為4.1V),轉(zhuǎn)變成恒壓充電,直至電流越來越小。電池在被充電整個(gè)過程中,如果充電器電路失去控制,會(huì)使電池電壓超出4.2V后繼續(xù)恒流電源充電,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出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?,使V2由通斷轉(zhuǎn)變成關(guān)斷,從而切斷了充電控制回路,使充電器無法再對(duì)電池進(jìn)行充電,起到過充電保護(hù)作用。而此時(shí)考慮到V2自帶的體二極管VD2的存在,電池可以通過該二極管對(duì)外界負(fù)載進(jìn)行放電。在控制IC檢測(cè)到電池電壓超出4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號(hào)之間,也有每段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定,一般而言設(shè)為1秒左右,以避免出現(xiàn)因干擾而造成誤判斷。
3、過放電保護(hù)
電池在對(duì)外界負(fù)載放電整個(gè)過程中,其電壓會(huì)隨著放電整個(gè)過程慢慢地降低,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。在電池放電整個(gè)過程中,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)榱汶妷海筕1由通斷轉(zhuǎn)變成關(guān)斷,從而切斷了放電控制回路,使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電,起到過放電保護(hù)作用。而此時(shí)考慮到V1自帶的體二極管VD1的存在,充電器可以通過該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。考慮到在過放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低,因此規(guī)定要求保護(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,也有每段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定,一般而言設(shè)為100毫秒左右,以避免出現(xiàn)因干擾而造成誤判斷.
4、短路保護(hù)
電池在對(duì)負(fù)載放電整個(gè)過程中,若控制回路電流大到使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)榱汶妷海筕1由通斷轉(zhuǎn)變成關(guān)斷,從而切斷放電控制回路,起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短,一般而言小于7微秒。其工作原理與過電流保護(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,它在電路中起著電源開關(guān)的作用,考慮到它直接串接在電池與外部負(fù)載之間,因此它的通斷阻抗對(duì)電池的性能指標(biāo)有影響,當(dāng)選用的MOSFET較好時(shí),其通斷阻抗比較小 ,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。
5、過電流保護(hù)
考慮到鋰離子電池的化學(xué)特性,電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超出2C(C=電池容量/小時(shí)),當(dāng)電池超出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)安全問題。電池在對(duì)負(fù)載正常情況下放電整個(gè)過程中,放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí),考慮到MOSFET的通斷阻抗,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通斷阻抗,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?,使控制回路電流增大,?dāng)控制回路電流大到使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?,使V1由通斷轉(zhuǎn)變成關(guān)斷,從而切斷了放電控制回路,使控制回路中電流為零,起到過電流保護(hù)作用。在控制IC檢測(cè)到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間,也有每段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定,一般而言為13毫秒左右,以避免出現(xiàn)因干擾而造成誤判斷。在上述控制整個(gè)過程中可知,其過電流檢測(cè)值大小不但取決于控制IC的控制值,還取決于MOSFET的通斷阻抗,當(dāng)MOSFET通斷阻抗越大時(shí),對(duì)同樣的控制IC,其過電流保護(hù)值越小。
18650鋰電池保護(hù)板設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):
1、過充電檢出電壓:在一般而言狀態(tài)下,Vdd慢慢地提升至CO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
2、過充電解除電壓:在充電狀態(tài)下,Vdd慢慢地降低至CO端由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
3、過放電檢出電壓:一般而言狀態(tài)下,Vdd慢慢地降低至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
4、過放電解除電壓:在過放電狀態(tài)下,Vdd慢慢地上升到DO端由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。
5、過電流1檢出電壓:在一般而言狀態(tài)下,VM慢慢地升至DO由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。