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锂离子电池保护板工作原理及其构成


锂电池保护板工作原理图 

单节锂电池保护板结构图


锂在元素周期表上第3位,外层电子1个,容易失去形成稳定结构,所以是非常活泼的一种金属。而锂离子电池具有放电电流大、内阻低、寿命长、无记忆效应等被人们广泛使用,锂离子电池在使用中严禁过充电、过放电、短路,否则将会使电池起火、爆炸等致命缺点,所以在使用可充锂电池时,都会带有一个保护板来保护电芯的安全。

    保护板有两个核心部件:一个保护IC,它是由精确的比较器来获得可靠的保护参数;另外是MOSFET串,在主充放电回路中担当高速开关,执行保护动作。

电路原理如下图:

锂电池保护板工作原理图

说明:

1、保护IC个引脚功能:VDDIC电源正极,VSS是电源负极,V-是过流/短路检测端,Dout是放电保护执行端,Cout是充电保护执行端。

2、保护板端口说明:B+B-分别是接电芯正极、负极;P+P-分别是保护板输出的正极、负极;T为温度电阻(NTC)端口,一般需要与用电器的MCU配合产生保护动作,后面会介绍,这个端口有时也标为ID,意即身份识别端口,这时,图上的R3一般为固定阻值的电阻,让用电器的CPU辨别是否为指定的电池。

保护板工作过程:

1、激活保护板的方法:当保护板P+P-没有输出处于保护状态,可以短路B-P-来激

活保护板,这时,DoutCout均会处于低电平(保护IC此两端口是高电平保护,低电平状

态)状态打开两个MOS开关。

2、充电:P+P-分别接充电器的正负极,充电电流经过两个MOS对电芯进行充电。这

时,ICVDDVSS既是电源端,也是电芯电压检测端(经R1)。随着充电的进行,电芯电压逐渐升高,当升高到保护IC门限电压(一般是4.30V,通常称为过充保护电压)时,Cout随即输出高电平将对应那个MOS关断,充电回路也被断开。过充保护后,电芯电压会下降,当下降到IC门限电压(一般为4.10V,通常称为过充保护恢复电压)时,Cout恢复低电平状态打开MOS开关。

3、放电:同样,在电池放电时,ICVDDVSS也会对电芯电压检测,当电芯电

压下降到IC门限电压(一般是2.40V,通常称为过放保护电压)时,Dout随即输出高电平将对应那个MOS关断,放电回路被断开。过放保护后,电芯电压会上升,当上升到IC门限电压(一般为3.00V,通常称为过放保护恢复电压)时,Dout恢复低电平状态打开MOS开关。

4、过流、短路:当放电过程中主回路电流大时(具体多少要参考保护板设计参数)

由于MOS饱和导通也存在内阻,所以电流在流经B-P-之间时MOS两端会产生压降,保护ICV-VSS(经过R2)会随时检测MOS两端的电压,当电压上升到IC保护门限(一般为0.15V,称为放电过流检测电压)时,Dout马上输出高电平将对应那个MOS关断,放电回路被断开。看到这里,大概有同学已经悟出,如果选用导通内阻低的MOS或者放电过流检测电压高的IC,是不是可以获得大的输出电流?答案是肯定的,但是也要考虑选用的MOS的功率和电芯的容量!

5NTCT端口)的作用:当电池工作时,没有发生过充、过放或过流、短路等情况,而是由于工作时间太长,导致电芯温度上升(比如平常我们在用手机煲电话粥)很快。而NTC电阻紧贴电芯监测电芯温度,随着温度上升NTC阻值逐渐下降,用电器CPU发现了这个变化,当阻值下降到CPU设定值时,CPU即发出关机指令,让电池停止对其供电,只维持很小的待机电流,达到保护电池的目的。