畢業設計-鋰電池保護電路的研發與設計-文庫吧

【正文】 動力鋰電池磷酸鐵鋰電池，市場上已有的保護電路并不多。而關于鋰電池組的保護電路則更少了，且這些鋰電池組保護電路支持的電池串數較少（一般不多于 6 串），這就使得其對大型鋰電池組的保護力不從心了。基于此種情 況，就需要一種功能全面且基本適用于各種型號及類型的鋰電池甚至是鋰電池組的保護電路系統。這種保護電路需要具備過充保護、過放保護、電量平衡保護、過流保護等功能、支持 6 串以上的電池組使用且可以擴展，根據其擴展性可讓電路適用于更多的使用環境。并且基于這種擴展性可以使此電路作為鋰電池保護電路的開發模板，以其為藍本通過更改參數及更換不同功率的器件設計出同類型的衍生電路。 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 6頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 課題的研究方向和發展前景 鋰電池保護電路的現狀 目前市場上已有的各種鋰電池保護電路的類型有兩種，一種是使用分立元件，另一種是使用專 業的電池管理檢測芯片。 使用分立元件制作而成的保護電路成本低廉，但是檢測精度普遍不高，約在 200毫伏左右；分立元件的集成度較低，造成整體電路體積過大；而且分立元件制成的鋰電池保護電路考慮到穩定性的問題，一般不帶有電量平衡保護部分，這些都使得分立元件的保護電路適用范圍減小。其諸多的缺點使得其、它只能適用于低端產品市場，而對于相對高端的電子產品則很少使用這種類型的保護電路。 圖 TSSOP 封裝圖 使用專業電池管理 IC 的話雖然成本偏高一些，但是可以保證較高的精度，精度高的可以達到 50mv 以下；且集 成度高，使用 TSSOP 或更高等級封裝芯片構成的單節保護電路可做到指甲蓋大小，其封裝大小見圖 ；現在電池充放電管理的芯片在市場占有上基本是精工電子一家獨大，占絕大部分市場，其產品功能全面， S820S825 S8211 等都具有過放保護、過充保護、電量平衡保護的功能。 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 7頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 鋰電池保護電路的發展前景 鋰電池保護電路未來的發展將以提高偵測電壓的精度、降低保護 IC 的功耗及包裝成本、整合 MOS、改進誤動作防止功能等，同時充電器連接端子的高耐壓化也是開發的重點。 對于鋰電池保護芯片的封裝，目前已 由 SOT23 漸漸的朝向 SON，將來還有 CSP的封裝，甚至 COB 封裝產品的出現，用以滿足現在所強調的輕薄短小的需求。當然，功能組件單晶化是一致的目標，如目前行動電話制造商都朝向將保護 IC、充電電路、電源管理 IC 等外圍電路集成單芯片，與邏輯 IC 構成雙芯片的芯片組。但目前要使Power MOS 管的開路阻抗降低使其與其它 IC 合組，即使以特殊技術制成單芯片成本也將會過高。因此，鋰電池保護芯片的單晶化將需一段時間來解決。 鋰電池保護電路的整體體積也會隨著保護芯片封裝的改進而越來越精巧，適用于更多的精密儀器。 選題的目的和意義 鋰電池保護電路是應用鋰電池所必須的電路部分，缺少了保護電路的使用，鋰電池將縮短使用壽命、造成安全隱患、損毀用電設備，所以設計并制作一個高效穩定的鋰電池保護電路是有著實際意義的。 由于目前市場上還沒有推出功能齊全、功能可擴展且支持電池組串數超過 6 串的鋰電池保護電路，所以設計并制作出這樣一個鋰電池保護電路具有一定的創新性。而且由于功能齊全，所以可以根據實際需要通過更改電路參數或器件類型來開發出新的型號。又因為它的可擴展性，可以根據電池組的串數組合出符合要求的保護電路。正是因為設計并制作出這樣一 種鋰電池保護電路具有研究和實際應用的價值，所以我選擇這個題目作為我的畢業設計。 通過 制鋰電池保護電路可以加深對電源技術、電力電子技術等 知識理解和掌握 。在制作過程中， 培養 個人 獨立思考問題和解決問題的能力 ， 為今后工作做好技術儲備 。 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 8頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 設計要求 表 各種保護功能的設計參數要求 如表 所示，列出了過充保護、過放保護、過流保護、短路保護、電量均衡保護的具體執行閥值和精度的要求。其中過充保護、過放保護、電量均衡保護的精度是根據所選芯片決定的。 表 鋰電池及充電器性能參數 BL5C 型鋰電池 充電電壓（ V） 充電電流（ mA） 電池容量（ mAh） ≤ 1000 970 萬能型充電器 輸出電壓（ V） 輸出電流（ mA） 充電時間（ h） ≤ 300 類型 功能 項目 參數 精度 保 護 功 能 過充保護 過充保護電壓（ V） 177。 50(mV) 過充保護延時 (mS) ＜ 1000 177。 50(mS) 過充保護解除電壓（ V） 177。 100(mV) 過放保護 過放保護電壓（ V） 177。 100(mV) 過放保護延時 (mS) ＜ 100 177。 50(mS) 過放保護解除電壓（ V） 177。 100(mV) 過流保護 過流保護值（ A） 1 177。 50(mA) 過流保護延遲 (mS) ＜ 500 177。 100(mS) 過流保護恢復條件 斷開負載 短路保護 短路保護值 (A) 2 177。 1(A) 短路保護延遲 (uS) ＜ 200 177。 100(uS) 短路保護恢復條件 斷開負載 均衡保護 均衡電流 (mA) 500 177。 60(mA) 均衡開啟電壓（ V） 177。 50(mV) 均衡精度（ mV） 50 177。 50(mV) 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 9頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 (a) BL5C 鋰電池的充電特性曲線 圖 (b) BL5C 鋰電池的放電特性曲線 測試時電池使用 Nokia BL5C 型手機鋰電池，充電器選用與其匹配的萬能型充電器，其具體參數見表 ， BL5C 的充放電特性見圖 (a)及 (b)，此圖源于三洋能源有限公司測試組。根據設計要求，組成電路所選擇的元件的耐壓值要大于 5v，耐流值要達到 1A，這些要求是根據測試時選用的電池及充電器確定的。如果要使用磷酸鐵鋰電池及相應充電器，那么元件的耐流值要更大達到 20A 甚至更高，則 相應地，電路的制作成本將大大超出畢業設計所提供的經費，無法選用動力電池對本畢業設計所制作的保護電路進行測試。故選用上述鋰電池及充電器。 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 10頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 鋰電池的介紹 鋰電池簡介 鋰電池（鋰原電池）和鋰離子電池是 20 世紀開發成功的新型高能電池。鋰原電池的負極是金屬鋰，正極用 MnO2， SOCl2， (CFx)n 等。 70 年代進入實用化。現在，鋰離子電池應用范圍更加廣泛，如移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等。 鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。最早出現的鋰電池使用以下反應： Li+MnO2=LiMnO2，該反應為氧化還原反應，放電。由于鋰金屬的化學特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環境要求非常高，所以鋰電池生產要在特殊的環境條件下進行。 鋰原電池之后發明了 以炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放 電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在 鋰離子電池 的充放電過程中，鋰離子處于從正極 → 負極 → 正極的運動狀態。 鋰離子電池 就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運動員一樣在搖椅來回奔跑 ， 所以 鋰離子電池 又叫搖椅式電池。現在鋰離子電池的大量使用，已經逐漸代替了不安全的鋰電池，所以已經習慣用鋰電池來稱呼鋰離子電池。 鋰電池的特點 鋰離子電池：是一種高能量密度的電池，它與同樣大小的鎳鎘電 池、鎳金屬氫電池相比，電量儲備更大、重量也更輕。鋰離子電池基于安全性的考慮，其還內置了一塊控制芯片，提供對電量、電壓、電流等等眾多方面的保護控制，能夠避免對電池構成過度充電而造成危險的現象，進一步提升電池的使用安全性。 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 11頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 鋰電池的優點： 比能量高。具有高儲存能量密度，目前已達到 460600Wh/kg，是鉛酸電池的約 6～ 7 倍； 使用壽命長，使用壽命可達到 6 年以上，磷酸亞鐵鋰為正極的電池用 1A DOD充放，有可以使用 10,000 次的記錄； 額定電壓高（單體工作電壓為 或 ），約等于 3 只 鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯電壓，便于組成電池電源組； 具備高功率承受力，其中電動汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達到 1530A充放電的能力，便于高強度的啟動加速； 自放電率很低，這是該電池最突出的優越性之一，目前一般可做到 1%/月以下，不到鎳氫電池的 1/20； 重量輕，相同體積下重量約為鉛酸產品的 1/56； 高低溫適應型強，可以在 20℃ ～ 60℃的環境下使用，經過工藝上的處理，可以在 45℃環境下使用； 綠色環保，不論生產、使用和報廢，都不含有、也不產生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元 素和物質； 生產基本不消耗水，對缺水的我國來說，十分有利。 鋰電池的缺點： 鋰原電池均存在安全性差，有發生爆炸的危險； 鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電，安全性較差； 鋰離子電池均需保護線路，防止電池被過充過放電； 生產要求條件高，成本高。 表 鋰電池與其它電池性能的比較 性能 鋰電池 鎳氫電池 鎳鎘電池 鉛酸蓄電池 工作電壓（ v） 能量密度（ Whkg1） 100~160 65 50 35 循環壽命（次） 500~1200 300~700 300~600 150~400 自放電率（