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鋰電池保護板的工作原理介紹

要長高 ? 2022-11-08 17:27 ? 次閱讀

拆過手機或者平板的用戶,應該都注意過,在手機或者平板的鋰電池部分,其上端有一塊質地較軟且被塑料膜包裹起來的電路板。

電池大小不同,電路板尺寸也不一樣。揭開塑料膜,你會發現,其上布置了很多的元器件

或許會有人問,這塊板子究竟有何作用?其實呢,電池模組方面,沒了這塊電路板,還真沒人敢用了!

關于鋰電池的充放電,高中化學我們就學過,其主要依靠離子在正負極的移動來完成的。充放電過程中,離子在兩極之間往返嵌入和脫嵌。充電時,正極會生成鋰離子,離子從正極嵌脫通過電解液進入負極,負極處于富鋰狀態。放電則反之。然而在不加上述圖中的保護板的話,即很有可能會出現過充與過放。過充即正極離子轉移太多,過放即負極離子轉移過多。

無論是電池的過充還是過放,對電池的傷害都很大,同時也給用戶帶來了潛在的危害性。所以,為了避免電池的過充與過放,電池廠家往往會在電池上方加上這么一塊保護板,以避免過充,過放等對電池產生損壞的影響的發生。

也正是由于電路保護板的存在,使得鋰電池在正常使用時,很難出現過充與過放的現象。通常情況下,鋰電池的充電的終止電壓為4.2V,即電池充滿時的電池電壓為4.2V。而電路板設置的保護電壓往往會比這個高,有的為4.5V,當因意外造成使得充電電池電壓超過4.5V即為過充。放電的截止電壓為3.0V,而電路板設置的保護的電壓比這個低,有的為2.8V,當因意外放電放到2.8V以下,此時為過放。

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圖示為我畫的簡單的電路板原理圖的設計,簡單到不能再簡單了。P+,P-為電池連接器上的VBAT+與VBAT-即主要與外界直接聯系的供電(圖一的紅黑兩條線)。U1為控制IC芯片。根據外部電壓的變化,作出判斷,進而打開或者關閉Q1.Q2 MOS管,以保證電路的正常工作與斷開。B+,B-為電池電芯的正負極。ID與TH均為選配,并不是每個電池保護板都有。ID方面,MCU通過讀取ID管腳電阻的阻值來獲悉電池的類型信息。TH端接的是一個NTC電阻,根據NTC電壓,利用ADC轉換,可獲取其最終對應的溫度值,以保證在電池高溫時可以停止充電并關機。

下面講一下,電池在不同的狀態下,電路板的工作情況:

1. 正常工作狀態

在正常工作狀態下,電路中U1的”CO”與“DO”都是高電平輸出,兩個MOS管都正常導通。構成了完整的回路,電池可以正常的進行充電與放電。且MOS管的導通電阻很小,在10毫歐左右。其導通電阻對電路的性能影響很小。

2. 過充保護

電池在充電過程中分為三個階段,分別為涓流充電,恒流充電以及恒壓充電。涓流充電即充電使得電芯電壓達到規格書中的要求電壓,一般為3V,這個過程的電流非常的小。待電池電壓充電達到3.0V以后,便進入恒流充電,此時電流恒定,電壓不斷增大。當電壓值增大到4.2V時,轉換為恒壓充電,此時電流會越來越小直至充滿。(里面的電壓值根據要求的不同,電壓值也略有差異)。

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電池在充電的過程中,如果充電電路因意外失去控制,使得電芯電壓超過4.2V且滿足過充電壓的延時時間時,即進入過充狀態,這個時候是比較危險的。

但是如果有了保護板,就不用擔心了。其上的控制IC會檢測VDD-VSS壓差,當壓差超過保護值時,IC控制“CO”腳將由高電平轉換為低電平,此時MOS管關斷,形成斷路,從而起到了充電保護的作用。

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控制IC在檢測到電池電壓超過規定值關斷MOS管這一過程,存在一定的延時,目的是為了避免因干擾而造成誤判,同時在平板電池方面,延遲一般為1s。

遇到過充恢復的措施

a. P+與P-接上負載,因為MOS管自帶體二極管,電池會通過二極管構成回路對外放電,直至放電到正常電壓,MOS管導通即可繼續使用。

b. B+與B-接上負載,使得電芯兩端電壓下降到保護IC的過充恢復電壓。

3. 過放保護

電池在對外部負載放電時,電壓會不停的降低。當電池將至設定值時(一般為3.0V),其電池容量會放光。

放電過程中,當出現過放,即放電至3.0V后,電池還在放電,且達到保護板設定的電壓值時(一般為2.8V),控制IC檢測電芯電壓后,將“DO”腳將有高電平轉換為零電平,使得Q2mos管關斷,從而切斷放電回路,此時電池無法對負載進行放電,起到了保護的作用。

遇到過放恢復的辦法

由于Q2體二極管的存在,可通過插入充電器,通過體二極管對電池進行充電,恢復至電芯2.8V后解除保護板的保護,MOS管導通,形成完整回路,電池達到3.0V后開機。

4. 過流保護

由于鋰電子電池的化學特性,電池廠家對充電與放電電流均設置了上限,當超過這個上限時,將會導致電池的永久性損壞。

拿放電舉例子,電池在正常放電時,放電電流會經過串聯在一起的MOS管,由于MOS管自身存在導通阻抗,其兩端產生一個電壓,電壓值為U=2 I Rds,Rds為單個MOS管的導通阻抗。控制IC上的腳會對VM腳的電壓值不斷的檢測。若負載因為某種原因導致回路電流過大,使得MOS管的導通壓降大于規定值時,其“DO”腳將會由高電平轉換為零電平,使得Q2 MOS管關斷,從而切斷回路,使得回路電流為0.起到過電流保護作用。

5. 短路保護

電池在對負載放電時,若回路電流大到使得VM腳檢測到的電壓值大于規定值時,控制IC則判斷為負載短路,其“DO”腳將迅速由高電平轉換為零電平,使得Q2 MOS管由導通變為關斷,從而切斷放電回路,起到短路保護的作用。短路保護的延時時間較短,通常是微秒級別。且短路保護的電流值遠大于過流保護的電流值

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