畢業設計-鋰電池保護電路的研發與設計-wenkub.com

　 　

【正文】 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。 降壓型變換器均衡充電方案也是一種低消耗的均衡方案。若某個單電池發生短路故障，低電壓比較器輸出開關禁止信號，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單電池短路的情況確定正確的恒定電壓。在 LEO 軌道，這種均衡電路的工作時間只占 10%左右，所以要達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大的，這是這種電路的主要缺點。 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。另外，每個分流電阻的偏差也是影響均衡效果的重要因素。 淺談幾種均衡充電技術 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。當電池的電量不足時，更換所有的電池。 在把幾個電池串聯起來使用時，必須遵照下面的基本要求：保持電 池的連接點的潔凈。功率等于電壓乘電流。與電池串聯相比，在電池并聯電路中，高阻抗或“開路”電池的影響較小，但是，并聯電池組會減少負載能力，并縮短運行時間。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。其它電池也會短路，這將使終端的電壓降低至 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 29頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ，或者，使電池組鏈路斷開并切斷電流。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。只要一節電池有問題，它的電壓就會降低。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。一個筆記本電腦的電池有可能是把四節 鋰離子電池串聯起來，總電壓達到 ；然后，再把兩組串聯在一起的電池并聯起來，這樣，電池組的總電量就可以從 2021 毫安時提高到 4000 毫安時。鋰電池組包含兩部分：電池和鋰電池保護線路。在串聯使用時，要用同一種類型的電池。把四節電池串聯起來使用時，共有八個連接點（電池到電池室的連接點，電池室到下一節電池的連接點）。 對鋰離子電池而言，串并聯的連接方法很常見。這就好比一個發動機只啟動了三個汽缸。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。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。到最后，一節“斷開”的電池可能會中斷電流的輸送。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。這種接法稱作“四串兩并”， 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 27頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 它的意思是：把兩組由四節電池串聯在一起的電池組并聯起來。 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。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。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參數。繪圖的過程是首先在 Protel 中繪制電路原理圖，然后根據器件的尺寸制作 PCB 元件庫，而后在 PCB 圖中以原理圖為準連接所建立的 PCB 模塊，本圖為了繪制簡單只采用了單層板，這樣可以節省成本并降低制作的工藝難度。 表 有源器件的參數 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 GS 耐壓值 DS 耐流值 100v 1A 繪制 PCB 電路板 根據所選元器件類型及封裝尺寸，使用 Protel 99SE 繪制 PCB 電路板。開關也沒有特殊的要求，選用撥動式直插開關。 確定選用元件的型號及參數 為了繪制 PCB 電路板，和焊接電路，需要確定電路中各元器件的型號、參數以及封裝。其中一個單刀雙擲開關和一個相應的單刀單擲開關為一組需同步撥動。 此電路可以對 1～ 8 串鋰電池或鋰電池組進行充電，具有過充保護、過放保護、過流保護、短路保護 、電量平衡保護這些設計要求中所提及的全部功能。此時流過聚合物自復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。從 而碳黑粒子將分開、聚合物自復保險絲的電阻將上升。例如停在烈日曝曬下的汽車，電池即不適合置放其中。 保護回路電路的安裝位置： 保護回路是與單個電池及電池板連成一體，即使充電器或機器本身故障，保護回路也能防止電池破損、漏液、特性劣化的作用。 畢業項目報告紙 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。 從分子層面 看，鋰電池的過充過放 將 可能 對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞 。 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，只要調節保護開啟閥值就這一做到這點。 一般的充放電循環，是 “ 充滿 —— 放空 ” 。 畢業項目報告紙 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。第二，絕對不能過放電 ， 鋰 電池一旦放電電壓低于 ，將可能導致電池 內部材料損壞嚴重的將導致電池 報廢。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產生泡沫，反而不滿。 鋰電池充電的速度決定于充電器的恒流區輸出電流，即最大充電電流。在本畢業設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介紹。 綜合鋰電池的優缺點來看，使用鋰電池還是利大于弊的。 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。 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。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。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。 70 年代進入實用化。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。 60(mA) 均衡開啟電壓（ V） 177。 50(mA) 過流保護延遲 (mS) ＜ 500 177。 100(mV) 過放保護 過放保護電壓（ V） 177。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。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。 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。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。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。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。在某些需要保護功能全面或是需要同時多節電池充放電的情況下，比如多芯鋰電池、動力型鋰電池，那些功能單一的保護電路就無法使用了。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致電池的內部耗損加速，使用壽命減短。 本文 以鋰電池的充放電特點 作為研究主體，詳細闡述了在工作期間對 鋰電池充放電過程中對其保護 的研究與設計 。 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 1頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 鋰電池保護電路的 研發與設計 摘要 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。介紹了鋰電池的特點以及其保護電路的發展現狀及趨勢， 其次說明了鋰電池的充放電的概念、原理、制定目標設計參數以及保護電路的設計過程、實現方法。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損失的事故。對于輸出電流、電壓值都比較大的動力鋰電池磷酸鐵鋰電池，市場上已有的保護電路并不多。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。 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。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。 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。 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 。 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（