锂电池保护板原理详细分析

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锂电池保护电路
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锂电池保护电路
由于锂电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行 电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如 对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副 反应,该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命， 并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导 致安全问题，因此所有的锂电池都需要一个保护电路，用于 对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断 充、放电回路以防止对电池发生损害
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下图为一个典型的锂电池保护电路原理图。
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如上图所示，该保护回路由两个MOSFET（V1、V2）和一个控制IC （N1）外加一些阻容元件构成。控制IC负责监测电池电压与回路电流， 并控制两个MOSFET的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，分别控制 着充电回路与放电回路的导通与关断，C3为延时电容，该电路具有过充 电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作原理分析如 下： 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。 此状态下保护电路的消耗电流为μA级，通常小于7μA。
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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。
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3、短路保护 电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使

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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。 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。
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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。
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5、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

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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
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