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汽车应急启动电源内的锂离子电池保护电路原理分析

来源:恩凡汽车应急启动电源 点击: 发布时间:2019-05-06
在如今的汽车中,为了提高舒适度和行车体验而设计了座椅加热、空调、导航、信息娱乐、行车安全等系统,从这些系统很容易理解在车中为各种功能供电的电子系统的好处。现在我们很难想像仅仅100多年以前的景象,那时,在汽油动力汽车中,一个电子组件都没有。在世纪交替时期的汽车开始有了手摇曲柄,前灯开始用乙炔气照明,也可以用铃声向行人发出提示信息了。如今的汽车正处于彻底变成电子系统的交界点,最大限度减少了机械系统的采用,正在成为人们生活中最大、最昂贵的“数字化工具”。
 
随着越来越多的机械系统被电子系统取代,电量功耗变得越来越重要了。不管车主们使不使用汽车,都有可能因为汽车电瓶电量不足导致无法启动的问题。因此商家们又根据汽车电量而研发出一款电子产品——汽车应急启动电源。汽车应急启动电源的介绍这里就不在赘述。具体可参考:https://www.enfancn.com/faq/64.html
 
我们今天来说说汽车应急启动电源的安全问题。大家都知道汽车应急启动电源的核心就是其内置的锂离子电池,而锂离子电池本身的特性决定了它不能被过充、过放、过流、短路以及超高温充放电,因此锂离子电池锂电组件总会跟着一块精致的保护板和一片电流保险器出现。
 
锂离子电池的保护功能通常由保护电路板和PTC等电流器件协同完成,保护板是由电子电路组成,在-40至85的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流,及时控制电流回路的通断;PTC在高温环境下防止电池发生恶劣的损坏。普通锂离子电池保护板通常包括控制IC、MOS开关、电阻、电容及辅助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存储器等。其中控制IC,在一切正常的情况下控制MOS开关导通,使电芯与外电路导通,而当电芯电压或回路电流超过规定值时,它立刻控制MOS开关关断,保护电芯的安全。
 
锂离子电池保护板原理:
 
汽车应急启动电源内锂离子电池保护原理
 
如图中所示,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。
 
一、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7 μA。
 
二、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。
 
三、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。
 
四、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。
 
五、短路保护
 
电池在对负载放电过程中,若回路电流大到使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。
 
以上详细阐述了单节锂离子电池保护电路的工作原理,多节串联锂离子电池的保护原理与之类似,在此不再赘述。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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