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18650鋰電池保護板設計方法?

18650電池市場應用化比較廣泛,目前主要流行的是18650鋰離子電池,其他種類的18650電池已經開始慢慢退出市場。那么18650鋰電池保護板怎么設計?這個18650鋰電池保護板不是固定的,基本是定制類的電池保護板。

18650鋰電池保護板

鋰電池的保護功能通常由保護電路板和PTC等電流器件協同完成,保護板是由電子電路組成,在-40℃至+85℃的環境下時刻準確的監視電芯的電壓和充放回路的電流,及時控制電流回路的通斷;PTC在高溫環境下防止電池發生惡劣的損壞。

普通18650鋰電池保護板通常包括控制IC、MOS開關、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存儲器等。其中控制IC,在一切正常的情況下控制MOS開關導通,使電芯與外電路導通,而當電芯電壓或回路電流超過規定值時,它立刻控制MOS開關關斷,保護電芯的安全。

鋰電池保護板正常的情況下,Vdd為高電平,Vss,VM為低電平,DO、CO為高電平,當Vdd,Vss,VM任何一項參數變換時,DO或CO端的電平將發生變化。

1、正常狀態

在正常狀態下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓,兩個MOSFET都處于導通狀態,電池可以自由地進行充電和放電,由于MOSFET的導通阻抗很小,通常小于30毫歐,因此其導通電阻對電路的性能影響很小。此狀態下保護電路的消耗電流為μA級,通常小于7μA。

2、過充電保護

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,隨著充電過程,電壓會上升到4.2V(根據正極材料不同,有的電池要求恒壓值為4.1V),轉為恒壓充電,直至電流越來越小。電池在被充電過程中,如果充電器電路失去控制,會使電池電壓超過4.2V后繼續恒流充電,此時電池電壓仍會繼續上升,當電池電壓被充電至超過4.3V時,電池的化學副反應將加劇,會導致電池損壞或出現安全問題。在帶有保護電路的電池中,當控制IC檢測到電池電壓達到4.28V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時,其“CO”腳將由高電壓轉變為零電壓,使V2由導通轉為關斷,從而切斷了充電回路,使充電器無法再對電池進行充電,起到過充電保護作用。而此時由于V2自帶的體二極管VD2的存在,電池可以通過該二極管對外部負載進行放電。在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發出關斷V2信號之間,還有一段延時時間,該延時時間的長短由C3決定,通常設為1秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。

3、過放電保護

電池在對外部負載放電過程中,其電壓會隨著放電過程逐漸降低,當電池電壓降至2.5V時,其容量已被完全放光,此時如果讓電池繼續對負載放電,將造成電池的永久性損壞。在電池放電過程中,當控制IC檢測到電池電壓低于2.3V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時,其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓,使V1由導通轉為關斷,從而切斷了放電回路,使電池無法再對負載進行放電,起到過放電保護作用。而此時由于V1自帶的體二極管VD1的存在,充電器可以通過該二極管對電池進行充電。由于在過放電保護狀態下電池電壓不能再降低,因此要求保護電路的消耗電流極小,此時控制IC會進入低功耗狀態,整個保護電路耗電會小于0.1μA。在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發出關斷V1信號之間,也有一段延時時間,該延時時間的長短由C3決定,通常設為100毫秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷.

4、短路保護

電池在對負載放電過程中,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,控制IC則判斷為負載短路,其“DO”腳將迅速由高電壓轉變為零電壓,使V1由導通轉為關斷,從而切斷放電回路,起到短路保護作用。短路保護的延時時間極短,通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護類似,只是判斷方法不同,保護延時時間也不一樣。除了控制IC外,電路中還有一個重要元件,就是MOSFET,它在電路中起著開關的作用,由于它直接串接在電池與外部負載之間,因此它的導通阻抗對電池的性能有影響,當選用的MOSFET較好時,其導通阻抗很小,電池包的內阻就小,帶載能力也強,在放電時其消耗的電能也少。

5、過電流保護

由于鋰離子電池的化學特性,電池生產廠家規定了其放電電流最大不能超過2C(C=電池容量/小時),當電池超過2C電流放電時,將會導致電池的永久性損壞或出現安全問題。電池在對負載正常放電過程中,放電電流在經過串聯的2個MOSFET時,由于MOSFET的導通阻抗,會在其兩端產生一個電壓,該電壓值U=I*RDS*2,RDS為單個MOSFET導通阻抗,控制IC上的“V-”腳對該電壓值進行檢測,若負載因某種原因導致異常,使回路電流增大,當回路電流大到使U>0.1V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時,其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓,使V1由導通轉為關斷,從而切斷了放電回路,使回路中電流為零,起到過電流保護作用。在控制IC檢測到過電流發生至發出關斷V1信號之間,也有一段延時時間,該延時時間的長短由C3決定,通常為13毫秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。在上述控制過程中可知,其過電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值,還取決于MOSFET的導通阻抗,當MOSFET導通阻抗越大時,對同樣的控制IC,其過電流保護值越小。

18650鋰電池保護板設計注意事項:

1、過充電檢出電壓:在通常狀態下,Vdd逐漸提升至CO端由高電平變為低電平時VDD-VSS間電壓。

2、過充電解除電壓:在充電狀態下,Vdd逐漸降低至CO端由低電平變為高電平時VDD-VSS間電壓。

3、過放電檢出電壓:通常狀態下,Vdd逐漸降低至DO端由高電平變為低電平時VDD-VSS間電壓。

4、過放電解除電壓:在過放電狀態下,Vdd逐漸上升到DO端由低電平變為高電平時VDD-VSS間電壓。

5、過電流1檢出電壓:在通常狀態下,VM逐漸升至DO由高電平變為低電平時VM-VSS間電壓。

6、過電流2檢出電壓:在通常狀態下,VM從OV起以1ms以上4ms以下的速度升到DO端由高電平變為低電平時VM-VSS間電壓。

7、負載短路檢出電壓:在通常狀態下,VM以OV起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高電平變為低電平時VM-VSS間電壓。

8、充電器檢出電壓:在過放電狀態下,VM以OV逐漸下降至DO由低電平變為變為高電平時VM-VSS間電壓。

9、通常工作時消耗電流:在通常狀態下,流以VDD端子的電流(IDD)即為通常工作時消耗電流。

10、過放電消耗電流:在放電狀態下,流經VDD端子的電流(IDD)即為過流放電消耗電流。

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