畢業設計-鋰電池保護電路的研發與設計(存儲版)

　　

【正文】 ......................... 14 鋰電池的保護功能 …………………………………………………… ..15 鋰電池保護回路電路 ........……………………………………… ..15 保護功能剖析 …………………………………………………… ..15 鋰電池保護電路的制作 ............................................................................. 23 設計電路 ..................................................................................... … .23 確定選用元件的型號及參數 ........................................................ ..24 繪制 PCB 電路板 .......................................................................... ..24 實際電路測試 ............................................................................... … .........26 理論與實際對比分析 .......................................................................... … ..26 多串保護電路 …………………………………………………………… ..26 電芯的正確串并聯 ……………………………………………… ...26 保護項目及注意事項 ……………………………………………… 34 致謝 ………………………………………………………………………… … …… .36 參考文獻 …………………………………………………………………………… .37 附錄 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 4頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 附 1 鋰電池保護電路電路圖 ........................................................................ 38 附 2 鋰電池保護電路實物圖 ...................................................................... 39 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 5頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 1 緒論 課題研究背景 鋰離子電池因儲能容量大、使用壽命長、清潔環保、能量體積比大等眾多優點，所以在各行各業被廣泛使用，逐漸成為了電池的主流產品。 本文介紹了通過鋰離子電池的充放電特點設計一種支持多種規格鋰電池及電池組的保護電路的詳細過程。 圖 六串鋰電池組示意圖 現在市場上雖然鋰電池保護電路很多，但大多都是只能應用于小型鋰電池的保護，功能單一且只適用于個別型號的電池，比如手機、相機用的單節鋰電池。 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。 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。 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。 100(mV) 過流保護 過流保護值（ A） 1 177。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。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。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。 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（ %/月） 6~9 30~35 25~30 6 工作溫度范圍（℃） 20~60 20~65 20~65 40~65 容量 高 中 低 低 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 12頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 安全性能 安全 安全 安全 不安全 記憶效應 無 無 有 無 環境污染 無 無 有 有 成本價格 高 中 低 低 通過表 可以清楚地看出鋰電池與其它各型主流電池的性能特點，鋰電池除造價及工作溫度范圍兩項外，性能均表現突出，綜合性能最高。當電池電壓到達恒壓門限 ()時，電池容量接近于滿容量的 40%至 70%，轉入恒壓區，對電池進行 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 13頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 恒定電壓充電，隨著電池電壓的不斷上升，充電電流不斷減小，當充電電流降到 A/10或 A/15 量級時終止充電，即電池充電完成。 鋰電池 的 放電只需要注意 兩 點：第一，放電電流不能過大，過大的電流導致電池內部發熱 過大 ，有可能會造成永久性的損害。通常鋰電池壽命不小于 500 次循環，就是指 500 次充電循環后，容量不小于額定容量的 60%。在過流使用或是短路的情況下，會使電池因使用電流過大而溫度過高導致外殼變形、電解液泄露甚至爆炸。在正常使用條件下，保護回路是不工作的。當有過電流 通過聚合物自復保險絲時，產生的熱量（為 I 2 R ）將使其膨脹。由于電路圖過大，不便在此處貼出，詳見附 2 的電路圖。在實現 1～ 4 串電池或電池組使用時， BAT BAT BAT4 可以依次接入達到要求； BAT BAT BAT BAT8作為一個 4 串電池組的整體，用 BAT5～ 8 表示。這三種有源器件的參數詳見表 。 圖 鋰電池保護電路 PCB 電路板 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 26頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 4 總結 實際電路測試 實際制成的鋰電池保護電路的測試結果如表 所示。鋰電池組包含兩部分：電池和鋰電池保護線路。如果要想得到像 這種不常見的電壓，就得把三節這種電池串聯在一起。隨著工作電壓的下降，它比正常電池組更快地達到放電結束的臨界點，同時，它的使用時間也急劇縮短。由于受到可以選用的電池的限制，這個辦法并不適用于所有情況。功率等于電壓乘電流。當電池的電量不足時，更換所有的電池。另外還有一些電池組，把串聯和并聯這兩種方法結合起來。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。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。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。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。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。每個電阻的平均功率為 ，但是無論電池充電過程還是電池放電過程，分流電阻始終消耗功率。同時，通過測量傳送電容器上的電壓來監測各個單電池的電壓。為了得到良好的均衡效果，次繞組的一致性需要嚴格控制。 此電路初看起來是開環控制，實際上由于電池內阻的作用，均衡電路工。它的思路很清晰，主回路是標準的降壓式調節器，在儲能電感上增加多組相同的次繞組，用于電池單體的輔助充電。另外，通斷開關的實效是致命故障，所以必須采用冗余手段。經過一定次數的充放電循環后，單電池的偏差可以用下面的公式確定： V 電池電壓偏差 =R 分流 I 自放電＋ 2 V 單電池 K 電阻偏差 若分流電阻取 20Ω177。在串聯使用時，要用同一種類型的電池。 對鋰離子電池而言，串并聯的連接方法很常見。此外，大尺寸的電池也不適合做成專用電池所需要的外形規格。一旦設備因電壓過低而 切斷電源，其余單體電池仍然完好的電池就不能把所存儲的電量送出來了。串 聯需要高電量的便攜設備，一般是由兩節或更多節電池串聯起來的電池組供電。 在電池組中是把多個電池串聯起來，得到所需要的工作電壓。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。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。 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。而要更換“壞”電池也絕非易事，因為新老電池是互不匹配的。鋰離子電池的標稱電壓則是 。在過充保護時，這樣的工作過程 反而可以使過充保護緩慢開始，保證電池可以相對的充滿，不致使其在未充滿電的情況下斷開充電回路。制版的過程首先要將繪制好的 PCB 圖打印到菲林膠片上，然后把膠片貼在覆銅板上放入曝光機曝光數分鐘，之后放入腐蝕液中做腐蝕，將電路中的非導線部分的銅溶解掉，接著用酒精清洗一遍電路板，與 PCB 圖一致的一塊 PCB電路板就制作完成了。三極管為 PNP 型，選用 C9012，封裝為 SIP3。表 詳細說明了開關的設置與接入電路的鋰電池串數的關系，開關的上撥是跳過下一組電池接入回路，下撥是使下一組電池接入回路。當故障清除后，聚合物自復保險絲收縮至原 來的形狀重新將碳黑粒子聯 結起來，從而降低電阻至具有規定的 保持電流這個水平。 保護功能剖析 鋰電池的電芯其實是比較脆弱的 ,因此完備的保護措施對一個合格的手機電池來講是必不可少的 .