?。ㄔ瓌?chuàng)文章，版權(quán)歸：東莞市金鳳凰能源科技有限公司所有，侵權(quán)必究）
　　公司電話(huà)：0769-22229019 網(wǎng)址:m.namb.cn
　　由于便攜式設(shè)備已越來(lái)越普及，這類(lèi)產(chǎn)品中有許多是采用鋰離子電池供電，而由于鋰離子電池的特性與其它可充電電池不同，自身不具有保護(hù)性，電池內(nèi)部通常都帶有一塊電路板，本文將對(duì)鋰離子電池的特點(diǎn)及其保護(hù)電路工作原理進(jìn)行闡述。
　　鋰電池分為一次電池和二次電池兩類(lèi)，目前在部分耗電量較低的便攜式電子產(chǎn)品中主要使用不可充電的一次鋰電池，而在筆記本電腦、手機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)等耗電量較大的電子產(chǎn)品中則使用可充電的二次電池，即鋰離子電池。
　　由于鋰離子電池的化學(xué)特性，在正常使用過(guò)程中，其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng)，但在某些條件下，如對(duì)其過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流將會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng),該副反應(yīng)加劇后，會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導(dǎo)致安全問(wèn)題，因此所有的鋰離子電池都需要一個(gè)保護(hù)電路，用于對(duì)電池的充、放電狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對(duì)電池發(fā)生損害。
　　一、單節(jié)保護(hù)電路
　　下圖為一個(gè)典型的單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路原理圖。

　　如上圖所示，該保護(hù)回路由兩個(gè)MOSFET (Q1包含兩個(gè)MOSFET)和一個(gè)控制IC（IC1）外加一些阻容元件構(gòu)成?？刂艻C負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電池電壓與回路電流，并控制兩個(gè)MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開(kāi)關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，單節(jié)保護(hù)IC早期的延時(shí)電容外置在保護(hù)IC外圍電路，現(xiàn)在延時(shí)部分均內(nèi)置在保護(hù)IC的內(nèi)部，該電路具有過(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)功能，其工作原理分析如下：
　　1、正常狀態(tài)
　　在正常狀態(tài)下電路中IC1的“CO”（第3腳）與“DO”（第1腳）腳都輸出高電壓，兩個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)，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，通常小于30毫歐，因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。
　　此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí)，通常小于5μA。
　　2、過(guò)充電保護(hù)
　　鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過(guò)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。
　　電池在被充電過(guò)程中，如果充電器電路失去控制，會(huì)使電池電壓超過(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)電池電壓被充電至超過(guò)4.3V時(shí)，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(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)到電池電壓達(dá)到4.28V（該值由控制IC決定，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，從而切斷了充電回路，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)到電池電壓超過(guò)4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號(hào)之間，還有一段延時(shí)時(shí)間，我們稱(chēng)為過(guò)充保護(hù)延時(shí)，時(shí)間由IC內(nèi)部或外部延時(shí)電容決定，通常設(shè)為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
　　3、過(guò)放電保護(hù)
　　電池在對(duì)外部負(fù)載放電過(guò)程中，其電壓會(huì)隨著放電過(guò)程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V時(shí)，其容量已被完全放光，此時(shí)如果讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。
　　在電池放電過(guò)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決定，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，從而切斷了放電回路，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)狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小，此時(shí)控制IC會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，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至發(fā)出關(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IC或外部延時(shí)電容決定，通常設(shè)為100毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
　　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)定了其放電電流最大不能超過(guò)2C（C=電池容量/小時(shí)），當(dāng)電池超過(guò)2C電流放電時(shí)，常規(guī)電池將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。
　　電池在對(duì)負(fù)載正常放電過(guò)程中，放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí)，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(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庐惓?，使回路電流增大，?dāng)回路電流大到使U>0.15V（該值由控制IC決定，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，從而切斷了放電回路，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)生至發(fā)出關(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IC內(nèi)部或外部延時(shí)電容決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
　　注：礦業(yè)用電池要小于10毫秒，因?yàn)榻佑|時(shí)大電流產(chǎn)生的火花能致使瓦斯爆炸！
　　在上述控制過(guò)程中可知，其過(guò)電流檢測(cè)值大小不僅取決于控制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)載放電過(guò)程中，若回路電流大到使U>0.9V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，控制IC則判斷為負(fù)載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短，通常小于7微秒。其工作原理與過(guò)電流保護(hù)類(lèi)似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不一樣。
　　以上詳細(xì)闡述了單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路的工作原理，多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護(hù)原理與之類(lèi)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R5402系列，在實(shí)際的電池保護(hù)電路中，還有許多其它類(lèi)型的控制IC，如日本精工的S-8241/8261/8211系列、日本MITSUMI的MM3177/3077系列、臺(tái)灣富晶的FS312和DW01系列、臺(tái)灣類(lèi)比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小異，只是在具體參數(shù)上有所差別，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，就是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，因此它的導(dǎo)通阻抗對(duì)電池的性能有影響，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，帶載能力也強(qiáng)，在放電時(shí)其消耗的電能也少。
　　隨著科技的發(fā)展，便攜式設(shè)備的體積越做越小，而隨著這種趨勢(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，在這兩年已出現(xiàn)了將控制IC和MOSFET整合成一顆保護(hù)IC的產(chǎn)品，有的廠家甚至將整個(gè)保護(hù)電路封裝成一顆小尺寸的IC，如SEIKO\MITSUMI公司的產(chǎn)品。
　　6、關(guān)于PTC,其實(shí)PTC作為電池的第一個(gè)安全機(jī)構(gòu)，當(dāng)電池內(nèi)的溫度上升時(shí)，PTC的阻值隨之上升，因而當(dāng)電池內(nèi)部的溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)自動(dòng)切斷陰極引線與陰極之間的電路。因?yàn)镹I-MH電池一般在放電期間較為容易產(chǎn)生溫度過(guò)高現(xiàn)象，所以NI-MH電池一定要用PTC來(lái)做保護(hù)，否則會(huì)引起其他危險(xiǎn)情況！而現(xiàn)在我們所用的LI電池1C以下電流溫度上升比較小，基本上不用PTC，但是有些高端客戶(hù)會(huì)增加PTC，來(lái)增大電池的安全系數(shù)！
　　7、關(guān)于NTC，一般是配合充電器和用電設(shè)備，在檢測(cè)電池溫度過(guò)高是來(lái)關(guān)斷回路！使整個(gè)回路不在工作。一般來(lái)講充電時(shí)電池會(huì)較為容易產(chǎn)生溫度升高，特別是大一點(diǎn)的電池，充電電流較大，還有加裝加裝外殼或其他腔體內(nèi)部，容易積累熱量，那么NTC就顯的極為重要！
　　二、串并聯(lián)的概念
　　1、串聯(lián)的概念即是電壓的累計(jì)，容量保持單體容量。
　　例如單體電芯為PL383450 3.7V/1000mAh 那么四節(jié)電芯串聯(lián)電壓表現(xiàn)出來(lái)就是4×3.7V＝14.8V，而容量則保持不變?yōu)?000mAh 整個(gè)電池表現(xiàn)為1000mAh/14.8V
　　2、并聯(lián)的概念是容量的累計(jì)，而電壓保持單體的電壓
　　例如單體電芯為PL383450 3.7V/1000mAh 那么4節(jié)電芯并聯(lián)起來(lái)表現(xiàn)出來(lái)的就是容量為4000mAh,電壓表現(xiàn)出來(lái)的就是3.7V。整個(gè)電池表現(xiàn)為4000mAh/3.7V
　　3、裝配短路注意事項(xiàng)
　　一般來(lái)講并聯(lián)的電池，電芯相互之間不存在短路的危險(xiǎn)，但是多節(jié)電池裝配時(shí)就會(huì)存在裝配短路的問(wèn)題！短路瞬間外表會(huì)體現(xiàn)打火花的現(xiàn)象，相互之間裝配短路是由于不等位的電勢(shì)差（也就是壓差）造成的！這里導(dǎo)入一個(gè)電勢(shì)差的概念，其實(shí)有電跟我們所說(shuō)的電壓大小是相對(duì)而言的！比如說(shuō)4節(jié)電池現(xiàn)在每節(jié)電壓為3.7V。那么V1為3.7V，V2為7.4V，V3為11.1V，V4為14.8V，但是相對(duì)電壓就不一樣了，V1相對(duì)于GND是3.7V，那么V4相對(duì)于V1則是11.1V，V3相對(duì)于V1是7.4V，V3相對(duì)于V2是3.7V，這些就是他們之間的相對(duì)電壓。

　　串聯(lián)連接時(shí)只能是按順序連接，了解轉(zhuǎn)接板或線路板上的相對(duì)電位點(diǎn)，不能混接造成有相對(duì)壓差的點(diǎn)相連從而造成相互之間短路。
　　三、兩節(jié)保護(hù)電路

　　保護(hù)原理跟單節(jié)的一樣，增加了兩節(jié)電芯中間點(diǎn)的采樣，過(guò)流保護(hù)采樣放電端MOSFET的阻值。
　　過(guò)充保護(hù)采樣引腳電池正常工作時(shí)為關(guān)閉狀態(tài)（外部表現(xiàn)低電平），過(guò)充狀態(tài)工作時(shí)為打開(kāi)狀態(tài)（外部表現(xiàn)高電平）！
　　第五腳位為延時(shí)電容腳位！
　　四、三、四節(jié)保護(hù)電路

　　下圖說(shuō)明了各個(gè)腳位的定義：

　　1腳為過(guò)充電壓控制腳
　　2、4、6、12、14、19為空腳，沒(méi)有定義。
　　3腳為過(guò)流保護(hù)控制腳
　　5腳為放電保護(hù)控制腳
　　7為放電延時(shí)時(shí)間調(diào)解控制腳，通過(guò)調(diào)解外部電容來(lái)調(diào)解時(shí)間
　　8腳過(guò)流保護(hù)延時(shí)時(shí)間設(shè)定控制腳。通過(guò)調(diào)解外部電容來(lái)調(diào)解時(shí)間
　　9腳過(guò)充保護(hù)延時(shí)時(shí)間設(shè)定控制腳。通過(guò)調(diào)解外部電容來(lái)調(diào)解時(shí)間
　　10接地腳
　　11腳為三節(jié)四節(jié)保護(hù)電路調(diào)解點(diǎn)，當(dāng)此腳接電芯串聯(lián)最高點(diǎn)時(shí)為4節(jié)保護(hù)電路，當(dāng)此腳接地時(shí)為3節(jié)電池保護(hù)電路
　　13腳放電控制開(kāi)關(guān)腳，當(dāng)此腳為低電平時(shí)IC的第五腳為低電平狀態(tài)，電路正常充放電，當(dāng)此腳為高電平時(shí)IC的第五腳為高電平狀態(tài)，則電路不能放電。
　　15、16、17、18分別為四節(jié)電池的分別電位點(diǎn)
　　20腳為電源腳。