電池電路作業(yè)原理介紹
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-19 12:56
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電池電路作業(yè)原理電路具有過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)與短路保護(hù)功用，其作業(yè)原理剖析如下：
1、正常情況在正常情況下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通情況，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，一般小于30毫歐，因而其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的功用影響很小。7|此情況下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí)，一般小于7μA。
2、過(guò)充電保護(hù)鋰離子電池要求的充電方法為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，跟著充電進(jìn)程，電壓會(huì)上升到4.2V（根據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V），轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來(lái)越小。電池在被充電進(jìn)程中，假設(shè)充電器電路失掉控制，會(huì)使電池電壓跨過(guò)4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至跨過(guò)4.3V時(shí)，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加重，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或呈現(xiàn)安全問(wèn)題。
在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓抵達(dá)4.28V（該值由控制IC挑選，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，然后堵截了充電回路，使充電器無(wú)法再對(duì)電池進(jìn)行充電，起到過(guò)充電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V2自帶的體二極管VD2的存在，電池可以通過(guò)該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行放電。在控制IC檢測(cè)到電池電壓跨過(guò)4.28V至宣告關(guān)斷V2信號(hào)之間，還有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3挑選，一般設(shè)為1秒左右，以避免因攪擾而構(gòu)成誤判別。
3、過(guò)放電保護(hù)電池在對(duì)外部負(fù)載放電進(jìn)程中，其電壓會(huì)跟著放電進(jìn)程逐步下降，當(dāng)電池電壓降至2.5V時(shí)，其容量已被完全放光，此時(shí)假設(shè)讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電，將構(gòu)成電池的永久性損壞。在電池放電進(jìn)程中，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC挑選，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，然后堵截了放電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到過(guò)放電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V1自帶的體二極管VD1的存在，充電器可以通過(guò)該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。
由于在過(guò)放電保護(hù)情況下電池電壓不能再下降，因而要求保護(hù)電路的消耗電流極小，此時(shí)控制IC會(huì)進(jìn)入低功耗情況，整個(gè)保護(hù)電路耗電會(huì)小于0.1μA。在控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V至宣告關(guān)斷V1信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3挑選，一般設(shè)為100毫秒左右，以避免因攪擾而構(gòu)成誤判別。
4、過(guò)電流保護(hù)由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)矩了其放電電流最大不能跨過(guò)2C（C=電池容量/小時(shí)），當(dāng)電池跨過(guò)2C電流放電時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或呈現(xiàn)安全問(wèn)題。電池在對(duì)負(fù)載正常放電進(jìn)程中，放電電流在通過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí)，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會(huì)在其兩端發(fā)作一個(gè)電壓，該電壓值U=I*RDS*2, RDS為單個(gè)MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-”腳對(duì)該電壓值進(jìn)行檢測(cè)，若負(fù)載因某種原因?qū)е路闯?，使回路電流增大，?dāng)回路電流大到使U>0.1V（該值由控制IC挑選，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，然后堵截了放電回路，使回路中電流為零，起到過(guò)電流保護(hù)作用。
在控制IC檢測(cè)到過(guò)電流發(fā)作至宣告關(guān)斷V1信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3挑選，一般為13毫秒左右，以避免因攪擾而構(gòu)成誤判別。在上述控制進(jìn)程中可知，其過(guò)電流檢測(cè)值大小不只取決于控制IC的控制值，還取決于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通阻抗越大時(shí)，對(duì)同樣的控制IC，其過(guò)電流保護(hù)值越小。
5、短路保護(hù)電池在對(duì)負(fù)載放電進(jìn)程中，若回路電流大到使U>0.9V（該值由控制IC挑選，不同的IC有不同的值）時(shí)，控制IC則判別為負(fù)載短路，其“DO”腳將活絡(luò)由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，然后堵截放電回路，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短，一般小于7微秒。其作業(yè)原理與過(guò)電流保護(hù)類似，只是判別方法不同，保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不一樣。
最簡(jiǎn)單的均衡電路就是負(fù)載消耗型均衡，也就是在每節(jié)電池上并聯(lián)一個(gè)電阻，串聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)做控制。當(dāng)某節(jié)電池電壓過(guò)高時(shí)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，充電電流通過(guò)電阻分流，這樣電壓高的電池充電電流小，電壓低的電池充電電流大，通過(guò)這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電池電壓的均衡。
但這種方式只能適用于小容量電池，對(duì)于大容量電池來(lái)說(shuō)是不現(xiàn)實(shí)的。
負(fù)載消耗性均衡的示意圖
第二種均衡方法我沒(méi)有實(shí)驗(yàn)過(guò)，就是飛渡電容法。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是每一節(jié)電池并聯(lián)一個(gè)電容，通過(guò)開(kāi)關(guān)這個(gè)電容既可以并聯(lián)到本身這節(jié)電池上，也可以并聯(lián)到相鄰的電池。
當(dāng)某節(jié)電池電壓過(guò)高，首先將電容與電池并聯(lián)，電容電壓與電池一致，然后將電容切換到相鄰的電池，電容給電池放電。實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。
由于電容并不消耗能量，所以可以實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)損轉(zhuǎn)移。但這種方式太繁瑣了，現(xiàn)在的動(dòng)力電池動(dòng)不動(dòng)幾十節(jié)串聯(lián)，要是采用這種方式，需要很多開(kāi)關(guān)來(lái)控制。以上詳細(xì)論說(shuō)了單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路的作業(yè)原理，多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護(hù)原理與之類似，在此不再贅述，上面電路中所用的控制IC為日本理光公司的R5421系列，在實(shí)踐的電池保護(hù)電路中，還有許多其它類型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、臺(tái)灣富晶的FS312和FS313系列、臺(tái)灣類比科技的AAT8632系列等等，其作業(yè)原理迥然不同，只是在詳細(xì)參數(shù)上有所不同，有些控制IC為了節(jié)省外圍電路，將濾波電容和延時(shí)電容做到了芯片內(nèi)部，其外圍電路可以很少，如日本精工的S-8241系列。除了控制IC外，電路中還有一個(gè)重要元件，便是MOSFET，它在電路中起著開(kāi)關(guān)的作用，由于它直接串接在電池與外部負(fù)載之間，因而它的導(dǎo)通阻抗對(duì)電池的功用有影響，當(dāng)選用的MOSFET較好時(shí)，其導(dǎo)通阻抗很小，電池包的內(nèi)阻就小，帶載才干也強(qiáng)，在放電時(shí)其消耗的電能也少。
跟著科技的展開(kāi)，便攜式設(shè)備的體積越做越小，而跟著這種趨勢(shì)，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)電路體積的要求也越來(lái)越小，在這兩年已呈現(xiàn)了將控制IC和MOSFET整組成一顆保護(hù)IC的產(chǎn)品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的廠家甚至將整個(gè)保護(hù)電路封裝成一顆小規(guī)范的IC，如MITSUMI公司的產(chǎn)品。
個(gè)人感覺(jué)如下：
1. 對(duì)于 10AH 以內(nèi)的電池組，采用能量消耗型可能是比較好的選擇，控制簡(jiǎn)單。
2. 對(duì)于幾十 AH 的電池組來(lái)說(shuō)，采用一拖多的反激變壓器，結(jié)合電池采樣部分來(lái)做電池均衡應(yīng)該是可行的。
3. 對(duì)于上百 AH 的電池組來(lái)說(shuō)，可能采用獨(dú)立的充電模塊會(huì)好一些，因?yàn)樯习?AH 的電池，均衡電流都在10多 A 左右，如果串聯(lián)節(jié)數(shù)再多一些，均衡功率都很大，引線到電池外，采用外部 DC-DC 或 AC-DC 均衡也許更安全。
目前的均衡都是以電池電壓一致作為均衡的結(jié)束條件，但隨著 SOC 計(jì)算越來(lái)越準(zhǔn)確，容量一致的均衡應(yīng)該是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。
