畢業設計-鋰電池保護電路的研發與設計-預覽頁

　

【正文】 關于鋰離子電池保護線路的原理詳細描述參看 電池和充電器認識誤區 (續 )鋰離子電池保護線路淺談 本文主要以圖例進行說明 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 18頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖一 圖二 圖 一 為典型的鋰離子保護線路原理圖 ,B+,和 B代表典型的正負極 ,而 P+和 P代表成品手機電池的正負極輸出 (見圖 二 ). 四 .鋰離子保護線路的保護參數 ID NTC P P+ 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 19頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 另外 ,復雜高級的鋰離子電池 (比如智能鋰離子電池 )還會包含溫度保護 ,電量計量 ,實時時鐘和電子范圍標識碼 . 五 .鋰離子電池保護原理細解 當充電電壓超出保護值是 ,觸發保護線路動作 ,關斷開關管 Q1. 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 20頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 當負載使電池電壓降低到保護電壓以下時 ,觸發保護 線路 ,Q1 關斷 . 短路保護電路分兩種 ,一種是一旦觸發后 ,短路故障排除 ,Q1 自行導通 ,另一種觸發后不會自行恢復 ,需要外界強行充電后才會釋放 . 六 .電池其它管腳的定義和解釋 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 21頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 在許多手機的電池輸出端 ,除了正負極 ,通常還會有一個或幾個另外的輸出端 ,典型有如圖的兩種 ,NTC 電阻和 ID 電阻 . 電阻的原理 ID(標識的簡拼 ) 簡單講就是手機通過讀取該管腳電阻的阻值來獲悉電池的類型 (根據阻值的不同來區分鎳氫電池和鋰離子電池 ,區分大容量電池和普通容量電池 ) 電阻 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 22頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ NTC 電阻正好是前面 PTC 電 阻的相反 .NTC 是負溫度系數熱敏電阻的簡拼 . 簡單講手機通過讀取該電阻的阻值獲取電池的溫度值 .籍以進行相應的保護動作 .比如在 0~45 度以外的環境 ,手機不進行充電 ,在 20~60 度的范圍之外手機強行關機 ,以此來保護在非電池容忍環境里的危險操作 . 原理 NTC 電阻的阻值和溫度的對應關系如上圖所示 ,圖中可以看出 ,該電阻對應溫度有一個非常明確的對應關系 .該電阻還可以用來進行一些電路的負溫度補償 . 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 23頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 鋰電池保護電路的制作 設計電路 鋰電池保護電路的各個功能的實現方法已經在前一章節 中給出了詳細的說明，在本節將對之前的過流保護、短路保護及 S8209 芯片部分的電路整合到一起實現完整功能的鋰電池保護電路。為了使保護電路的充電、放電端不相互影響，使用一個單刀雙擲開關。 表 鋰電池接入串數的控制 方法 串數 接入的鋰電池 單刀雙擲開關 單刀單擲開關 1 BAT1 全部上撥 全部上撥 2 BAT BAT2 Sa1 下撥，其它上撥 Sb1 下撥，其它上撥 3 BAT BAT BAT3 Sa Sa2 下撥，其它上撥 Sb Sb2 下撥，其它上撥 4 BAT BAT BAT BAT4 Sa Sa Sa3 下撥，其它上撥 除 Sb4 外都下撥 5 BAT BAT5～ 8 Sa4 下撥，其它上撥 Sb4 下撥 6 BAT BAT BAT5～ 8 Sa Sa4 下撥，其它上撥 Sb Sb4 下撥， 其它上撥 7 BAT BAT BATBAT5～ 8 Sa Sa Sa4 下撥，其它上撥 除 Sb3 外都下撥 8 全部接入 全部下撥 全部下撥 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 24頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 在此保護電路中，鋰電池 BAT1 是一直接入電路的。此鋰電池保護電路的電流值不高，所以電阻可以使用普通的 1/4W 金屬模電阻。開關管 N 溝道增強型 MOS 管選用 IRFD120，封裝為 HEXDIP； P 溝道增強型 MOS 管選用 IRFD9120，封裝為 HEXDIP。三極管、 MOS 管的尺寸如上節 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 25頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 中所述一致。 最終制成的鋰電池保護電路板的 PCB 電路如圖 所示，其尺寸約為 74mm46mm。 表 實際電路測試結果 項目 開啟閥值 解除閥值 過充保護 過放保護 電量平衡保護 過流保護 約為 1A ＜ 1A 理論與實際對比分析 在過放保護開啟時，開關 MOS 管柵源極電壓 VGS 輸出為 ，遠低于 MOS 管開啟電壓 2v，保護解除時， VGS 為 。 多串保護電路 電芯的正確串并聯 把電池串聯和并聯起來使用，這聽起來好象很簡單，但是，遵循一些簡單的規則，就可以避免不必要的問題。另外還有一些電池組，把串聯和并聯這兩種方法結合起來。使用鋰離子聚合物和其他類型的鋰電池，它的額定電壓一般為 。這就像一個鏈條，串聯在一起的電池越多，出現這種情況的幾率就越高。一般說來，新電池的容量要比老電池的高得多。在一組串聯電池中，一節性能差的電池，就像是一個堵住水管的塞子，會產生巨大的阻力，阻止電流流過去。除了把電池并聯起來，另一個辦法是使用尺寸更大的電池。由四節電池并聯而成的電池組，電壓保持為 ，而電流和運行時間則增大到四倍。應當注意：總功率不會因 為電池的不同連接方法而改變。這個鋰電池保護電路也可以用于監視串聯在一起的每一節電池的狀態。不要混用電池，選擇性能一致的電池。如果有一節電池的極性裝反了，就會減少整串電池的電壓，而不是增加電壓。如果所需要的是更高的容量和更大的電流，那就應 該把電池并聯起來。鋰離子電池的標稱電壓則是 。使用高電壓電池組所帶來的另一個問題，就是有可能遇到電池組里的某一節電池失效的情況。而要更換“壞”電池也絕非易事，因為新老電池是互不匹配的。這時，壞的那節電池電池還呈現很大的內阻，如果此時還帶有負載，那么，將會導致整個電池鏈的輸出電壓將大幅度下降。 并聯為了得到更多的電量，可以把兩個或者更多個電池并聯起來。大部分的化學電池都可以并聯使用，而鋰離子電池最適合并聯使用。電路短路所造成的破壞會更大，這是因為，在短路時，出現故障的電池會迅速地耗盡其他電池里的電量，并引起火 災 . 使用串并聯這種連接方法時，在設計上很靈活，可以用標準的電池尺寸達到所需要的額定電壓和電流。最常用的一種電池組是 18650（直徑為 18mm，長度為 650mm），它帶有保護電路即鋰電池保護板，鋰電池保護板能夠監視串聯在一起的每一節電池，因此，它的最大實際電壓為 。每個連接點都存在一定的電阻，如果增加連接點，有可能會影響整個電池組的性能。要注意電池的極性。從電路中可以看出，電阻上的分流電流必須遠大于電池的自放電電流，才能達到均衡充電的效果。 %，則電池電壓偏差能夠控制在 50mV 范圍內。采用這種控制方式的均衡電路只在 TAPER 充電的恒壓充電段工作，其他時間通斷開關始終斷開，這樣需要電池組放電時， 分流電阻不消耗寶貴的能量。 3 開關電容均衡充電 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 32頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 開關電容均衡充電原理如圖 3 所示，從圖中可以看出，順序開關驅動電路主要由時鐘電路構成，它驅動多路開關順序閉合，順序把鋰離子電池單體接入傳送電容器，通過傳送單電池之間的不平衡能量，達到均衡充電的目的。另一方面，參數選取比較困難，針對不同的電源系統配置，電路參數需詳細的設計與驗證，這對研制周期是不利的。顯然，電壓低的單電池會從次繞組上得到更多的能量，電壓高的得到能量少，這樣就達到了均衡充電的目的 。 5 平均電池電壓均衡充電 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 34頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 平均電池電壓均衡充電原理如圖 5 所示，圖中只給出了一只單電池的均衡電路，其他各單電池也配備相同的均衡電路，其中，放大器由單電