一、鋰電池充電過(guò)程中的問(wèn)題

在鋰電池充電過(guò)程中，如果電壓過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)對(duì)電池造成損害，甚至可能引起爆炸。因此，需要一種保護(hù)電路來(lái)控制電壓和電流，以確保鋰電池的安全充電。

二、鋰電池充放電保護(hù)電路的原理

鋰電池充放電保護(hù)電路的原理是通過(guò)控制充電和放電的電壓和電流來(lái)保護(hù)電池。在充電過(guò)程中，保護(hù)電路會(huì)檢測(cè)電池的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路會(huì)切斷充電電路，以避免電池過(guò)充。在放電過(guò)程中，保護(hù)電路會(huì)檢測(cè)電池的電壓，當(dāng)電壓降至設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路會(huì)切斷放電電路，以避免電池過(guò)放。

三、鋰電池充放電保護(hù)電路的組成

鋰電池充放電保護(hù)電路由三個(gè)主要部分組成：保護(hù)芯片、MOS管和電感。保護(hù)芯片是整個(gè)充放電保護(hù)電路的核心部件，負(fù)責(zé)檢測(cè)電壓和電流，并控制MOS管的開關(guān)。MOS管是負(fù)責(zé)控制電池充放電的開關(guān)，當(dāng)保護(hù)芯片檢測(cè)到電壓或電流異常時(shí)，會(huì)通過(guò)控制MOS管的開關(guān)狀態(tài)來(lái)保護(hù)電池。電感是用來(lái)濾波的，可以減少電路中的噪聲和干擾，確保保護(hù)電路的穩(wěn)定工作。

四、總結(jié)

鋰電池充放電保護(hù)電路是一種重要的電路保護(hù)裝置，可以保護(hù)鋰電池在充放電過(guò)程中不受損壞。其原理是通過(guò)控制充放電的電壓和電流來(lái)保護(hù)電池。保護(hù)電路由保護(hù)芯片、MOS管和電感組成，保護(hù)芯片是整個(gè)充放電保護(hù)電路的核心部件，負(fù)責(zé)檢測(cè)電壓和電流，并控制MOS管的開關(guān)。

一、鋰電池的充放電要求

1.鋰電池的充電

單節(jié)鋰電池的最高充電終止電壓為4.2V，不能過(guò)充，否則會(huì)因正極的鋰離子丟失太多而使電池報(bào)廢。對(duì)鋰電池充電時(shí)，應(yīng)采用專用的恒流、恒壓充電器，先恒流充電至鋰電池兩端電壓為4.2V后，轉(zhuǎn)入恒壓充電模式;當(dāng)恒壓充電電流降至100mA時(shí)，應(yīng)停止充電。

充電電流(mA)可為0.1～1.5倍電池容量，例如：1350mAh的鋰電池，其充電電流可控制在135mA～2025mA之間。常規(guī)充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時(shí)間約為2～3小時(shí)。

2. 鋰電池的放電

由于鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，放電時(shí)鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負(fù)極，以保證在下次充電時(shí)鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命會(huì)縮短。為了保證石墨層中放電后留有部分鋰離子，就要嚴(yán)格限制放電終止最低電壓，也就是說(shuō)鋰電池不能過(guò)放電。單節(jié)鋰電池的放電終止電壓通常為3.0V，最低不能低于2.5V。電池放電時(shí)間長(zhǎng)短與電池容量、放電電流大小有關(guān)。電池放電時(shí)間(小時(shí))=電池容量/放電電流，且鋰電池放電電流(mA)不應(yīng)超過(guò)電池容量的3倍，例如：1000mAh的鋰電池，則放電電流應(yīng)嚴(yán)格控制在3A以內(nèi)，否則會(huì)使電池?fù)p壞。

二、保護(hù)電路的組成

保護(hù)電路通常由控制IC、MOs開關(guān)管、熔斷保險(xiǎn)絲、電阻、電容等元件組成，如圖2所示。正常的情況下，控制IC輸出信號(hào)控制MOs開關(guān)管導(dǎo)通，使電芯與外電路導(dǎo)通，當(dāng)電芯電壓或回路電流超過(guò)規(guī)定值時(shí)，它立即控制MOS管關(guān)斷，以保護(hù)電芯的安全。

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)

鋰離子電池作為可充電池的一種，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筕2由導(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 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由導(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。

4 過(guò)電流保護(hù)

由于鋰電池的化學(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?，使V1由導(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 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筕1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。

以上詳細(xì)闡述了單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路的工作原理，多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護(hù)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(shí)際的電池保護(hù)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(tái)灣富晶的FS312和FS313系列、臺(tái)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(shí)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(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。

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(shì)，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)電路體積的要求也越來(lái)越小，在這兩年已出現(xiàn)了將控制IC和MOSFET整合成一顆保護(hù)IC的產(chǎn)品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的廠家甚至將整個(gè)保護(hù)電路封裝成一顆小尺寸的IC，如MITSUMI公司的產(chǎn)品。