鋰電池充放電保護電路的組成

一、鋰電池充電過程中的問題

在鋰電池充電過程中，如果電壓過高或過低，都會對電池造成損害，甚至可能引起爆炸。因此，需要一種保護電路來控制電壓和電流，以確保鋰電池的安全充電。

二、鋰電池充放電保護電路的原理

鋰電池充放電保護電路的原理是通過控制充電和放電的電壓和電流來保護電池。在充電過程中，保護電路會檢測電池的電壓，當電壓達到設定值時，保護電路會切斷充電電路，以避免電池過充。在放電過程中，保護電路會檢測電池的電壓，當電壓降至設定值時，保護電路會切斷放電電路，以避免電池過放。

三、鋰電池充放電保護電路的組成

鋰電池充放電保護電路由三個主要部分組成：保護芯片、MOS管和電感。保護芯片是整個充放電保護電路的核心部件，負責檢測電壓和電流，并控制MOS管的開關。MOS管是負責控制電池充放電的開關，當保護芯片檢測到電壓或電流異常時，會通過控制MOS管的開關狀態(tài)來保護電池。電感是用來濾波的，可以減少電路中的噪聲和干擾，確保保護電路的穩(wěn)定工作。

四、總結

鋰電池充放電保護電路是一種重要的電路保護裝置，可以保護鋰電池在充放電過程中不受損壞。其原理是通過控制充放電的電壓和電流來保護電池。保護電路由保護芯片、MOS管和電感組成，保護芯片是整個充放電保護電路的核心部件，負責檢測電壓和電流，并控制MOS管的開關。

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，不能過充，否則會因正極的鋰離子丟失太多而使電池報廢。對鋰電池充電時，應采用專用的恒流、恒壓充電器，先恒流充電至鋰電池兩端電壓為4.2V后，轉入恒壓充電模式;當恒壓充電電流降至100mA時，應停止充電。

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，充電時間約為2～3小時。

2. 鋰電池的放電

由于鋰電池的內部結構原因，放電時鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負極，以保證在下次充電時鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命會縮短。為了保證石墨層中放電后留有部分鋰離子，就要嚴格限制放電終止最低電壓，也就是說鋰電池不能過放電。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。電池放電時間長短與電池容量、放電電流大小有關。電池放電時間(小時)=電池容量/放電電流，且鋰電池放電電流(mA)不應超過電池容量的3倍，例如：1000mAh的鋰電池，則放電電流應嚴格控制在3A以內，否則會使電池損壞。

二、保護電路的組成

保護電路通常由控制IC、MOs開關管、熔斷保險絲、電阻、電容等元件組成，如圖2所示。正常的情況下，控制IC輸出信號控制MOs開關管導通，使電芯與外電路導通，當電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時，它立即控制MOS管關斷，以保護電芯的安全。

電路具有過充電保護、過放電保護、過電流保護與短路保護功能，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MOSFET都處于導通狀態(tài)，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(tài)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(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會繼續(xù)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?yōu)榱汶妷海筕2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(fā)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(xù)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?yōu)榱汶妷?，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(tài)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(tài)，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(fā)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 過電流保護

由于鋰電池的化學特性，電池生產廠家規(guī)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(lián)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?yōu)榱汶妷海筕1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(fā)生至發(fā)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。

5 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?yōu)榱汶妷海筕1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。

以上詳細闡述了單節(jié)鋰離子電池保護電路的工作原理，多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護原理與之類似，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，在實際的電池保護電路中，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、臺灣富晶的FS312和FS313系列、臺灣類比科技的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，將濾波電容和延時電容做到了芯片內部，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。

隨著科技的發(fā)展，便攜式設備的體積越做越小，而隨著這種趨勢，對鋰離子電池的保護電路體積的要求也越來越小，在這兩年已出現了將控制IC和MOSFET整合成一顆保護IC的產品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的廠家甚至將整個保護電路封裝成一顆小尺寸的IC，如MITSUMI公司的產品。