畢業(yè)設(shè)計-鋰電池保護電路的研發(fā)與設(shè)計-文庫吧在線文庫

　　

【正文】 一 .鋰 電池的保護 畢業(yè)項目報告紙 共 39 頁 第 16頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 鋰 電池的保護器件非常簡單 ,就是圖中跨在電芯 上 的扁扁的扁帶一樣的東西 ,稱為可恢復(fù)式保險絲 ,又稱 PTC,即正溫度系數(shù)熱敏電阻的英文簡寫 .在電路上 ,它是串聯(lián)在供電回路里面的 .一旦發(fā)生大電流 (比如短路 )的情況 ,就會因其 PTC 效應(yīng)迅速增加其本身的電阻值 ,起到斷路的作用 . PTC 畢業(yè)項目報告紙 共 39 頁 第 17頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 二 .PTC 的介紹 PTC 正溫度系數(shù)熱敏電阻 又稱 polyswitch 聚合物自復(fù)保險絲 (polymer resettable fuse) 聚合物自復(fù)保險絲由聚合物基體及使其導(dǎo)電的碳黑粒子組成。而鋰電池保護回路電路則是鋰電池的守護神，能夠有效的讓鋰電池進行工作以及對其進行保護控制，而所謂的鋰電池保護回路電路則就是鋰電池中的那塊保護電 路。 鋰電池保護 的必要性 當(dāng)鋰電池發(fā)生過度充電時，電池內(nèi)電解質(zhì)會被分解，使得溫度上升并產(chǎn)生氣體，使得壓力上升而可能引起自燃或爆裂的危機。鋰電池從工作開始，每個循環(huán)后的容量都會出現(xiàn)輕微下降，這是由電池的電極材料的性質(zhì)決定的。 鋰電池的放電原理 鋰電池的放電可以理解為是其充電的逆過程。 如圖 所示，鋰電池的恒流恒壓充電方法充電過程。具有高儲存能量密度，目前已達(dá)到 460600Wh/kg，是鉛酸電池的約 6～ 7 倍； 使用壽命長，使用壽命可達(dá)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(lián)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(dá)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(yōu)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(chǎn)品的 1/56； 高低溫適應(yīng)型強，可以在 20℃ ～ 60℃的環(huán)境下使用，經(jīng)過工藝上的處理，可以在 45℃環(huán)境下使用； 綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)、使用和報廢，都不含有、也不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元 素和物質(zhì)； 生產(chǎn)基本不消耗水，對缺水的我國來說，十分有利。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。現(xiàn)在，鋰離子電池應(yīng)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。 50(mV) 均衡精度（ mV） 50 177。 100(mV) 過放保護延時 (mS) ＜ 100 177。 通過 制鋰電池保護電路可以加深對電源技術(shù)、電力電子技術(shù)等 知識理解和掌握 。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(shù)制成單芯片成本也將會過高。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(fā)模板，以其為藍(lán)本通過更改參數(shù)及更換不同功率的器件設(shè)計出同類型的衍生電路。鋰電池過充甚至可能造成鋰電池爆炸造成人員傷亡和財產(chǎn)損失的事故。 畢業(yè)項目報告紙 共 39 頁 第 1頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 鋰電池保護電路的 研發(fā)與設(shè)計 摘要 鋰離子電池因儲能容量大、使用壽命長、清潔環(huán)保、能量體積比大等眾多優(yōu)點，所以在各行各業(yè)被廣泛使用，逐漸成為了電池的主流產(chǎn)品。鋰電池的過度充電（以下簡稱“過充” ）、過度放電（以下簡稱“過放” ）和電池組間的電量不平衡都會導(dǎo)致電池的內(nèi)部耗損加速，使用壽命減短。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(jù)其擴展性可讓電路適用于更多的使用環(huán)境。當(dāng)然，功能組件單晶化是一致的目標(biāo)，如目前行動電話制造商都朝向?qū)⒈Ｗo 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(gòu)成雙芯片的芯片組。正是因為設(shè)計并制作出這樣一 種鋰電池保護電路具有研究和實際應(yīng)用的價值，所以我選擇這個題目作為我的畢業(yè)設(shè)計。 100(mV) 過放保護 過放保護電壓（ V） 177。 60(mA) 均衡開啟電壓（ V） 177。 70 年代進入實用化。同樣，當(dāng)對電池進行放 電時（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。 畢業(yè)項目報告紙 共 39 頁 第 11頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 鋰電池的優(yōu)點： 比能量高。在本畢業(yè)設(shè)計中選取的充電器使用的是恒流恒壓充電法，所以以下針對恒流恒壓法進行詳細(xì)介紹。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產(chǎn)生泡沫，反而不滿。 畢業(yè)項目報告紙 共 39 頁 第 14頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 鋰電池的工作過程 鋰電池每一個 “ 充電 —— 放電 ” 過程，稱為一個充 放 電循環(huán)。 控制電池使之充放電量控制在 80%左右靠鋰電池本身是不可能的，這也要通過保護板來實現(xiàn)，只要調(diào)節(jié)保護開啟閥值就這一做到這點。 畢業(yè)項目報告紙 共 39 頁 第 15頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 鋰電池的保護功能 鋰電池保護回路電路 鋰電池公認(rèn)的使用效率與安全性，使得它即使價位較高，銷售量仍然快速成長。例如停在烈日曝曬下的汽車，電池即不適合置放其中。此時流過聚合物自復(fù)保險絲的小電流足以使其保持在這個溫 度和處于高阻狀態(tài)。其中一個單刀雙擲開關(guān)和一個相應(yīng)的單刀單擲開關(guān)為一組需同步撥動。開關(guān)也沒有特殊的要求，選用撥動式直插開關(guān)。繪圖的過程是首先在 Protel 中繪制電路原理圖，然后根據(jù)器件的尺寸制作 PCB 元件庫，而后在 PCB 圖中以原理圖為準(zhǔn)連接所建立的 PCB 模塊，本圖為了繪制簡單只采用了單層板，這樣可以節(jié)省成本并降低制作的工藝難度。這些值與理論值相差不多，其誤差僅存在于 MOS管的截止電壓均高于理論的 0v，其原因為三極管的基極與集電極間形成的微小電流。這種接法稱作“四串兩并”， 畢業(yè)項目報告紙 共 39 頁 第 27頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 它的意思是：把兩組由四節(jié)電池串聯(lián)在一起的電池組并聯(lián)起來。到最后，一節(jié)“斷開”的電池可能會中斷電流的輸送。一個電池組的性能是取決于電池組里最差的那塊電池的性能。這就好比一個發(fā)動機只啟動了三個汽缸。把四節(jié)電池串聯(lián)起來使用時，共有八個連接點（電池到電池室的連接點，電池室到下一節(jié)電池的連接點）。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(jié)這種電池串聯(lián)在一起。隨著工作電壓的下降，它比正常電池組更快地達(dá)到放電結(jié)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(dāng)電池的電量不足時，更換所有的電池。另外，每個分流電阻的偏差也是影響均衡效果的重要因素。在 LEO 軌道，這種均衡電路的工作時間只占 10%左右，所以要達(dá)到上面論述的均衡效果，電阻值需減小 10 倍，可見峰值熱功耗是相當(dāng)大的，這是這種電路的主要缺點。 降壓型變換器均衡充電方案也是一種低消耗的均衡方案。因此，所有單電池電壓在均衡電路的作用下趨向平均電池電壓。但電感繞組的一致性是非常難于控制的，因此這是這種控制方法的一個最大缺點。若某個單電池發(fā)生短路故障，低電壓比較器輸出開關(guān)禁止信號，禁止短路的單 電池接入傳送電容器，防止影響其他單電池的正常工作，同時給恒流恒壓變換器送入電池低電壓報警信號，使恒流恒壓變換器根據(jù)單電池短路的情況確定正確的恒定電壓。 2 通斷分流電阻均衡充電 通斷分流電阻均衡充電原理如圖 2 所示。 淺談幾種均衡充電技術(shù) 1 恒定分流電阻均衡充電 電阻分流均衡充電原理如圖 1 所示。 在把幾個電池串聯(lián)起來使用時，必須遵照下面的基本要求：保持電 池的連接點的潔凈。與電池串聯(lián)相比，在電池并聯(lián)電路中，高阻抗或“開路”電池的影響較小，但是，并聯(lián)電池組會減少負(fù)載能力，并縮短運行時間。其它電池也會短路，這將使終端的電壓降低至 畢業(yè)項目報告紙 共 39 頁 第 29頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ，或者，使電池組鏈路斷開并切斷電流。只要一節(jié)電池有問題，它的電壓就會降低。一個筆記本電腦的電池有可能是把四節(jié) 鋰離子電池串聯(lián)起來，總電壓達(dá)到 ；然后，再把兩組串聯(lián)在一起的電池并聯(lián)起來，這樣，電池組的總電量就可以從 2021 毫安時提高到 4000 毫安時。在串聯(lián)使用時，要用同一種類型的電池。 對鋰離子電池而言，串并聯(lián)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(guī) 格。一旦設(shè)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(lián)需要高電量的便攜設(shè)備，一般是由兩節(jié)或更多節(jié)電池串聯(lián)起來的電池組供電。 在電池組中是把多個電池串聯(lián)起來，得到所需要的工作電壓。由于實際測試過程中在不破壞鋰電池或充電器的情況下，幾乎不可能測試過充、過放、過流、短路保護的功能，所以使用置位器分壓的方法模擬電池電壓以驗證電路功能并獲得相關(guān)參數(shù)。 表 有源器件的參數(shù) PNP 型三極管 C9012 CE 耐壓值 CE 耐流值 10v 1A N 溝道增強型 MOS 管IRFD120 GS 耐壓值 DS 耐流值 150v P 溝道增強型 MOS 管IRFD9120