锂离子电池保护电路以及工作原理介绍

由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应，该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能出现大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂离子电池都要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害

如上图所示，该保护回路由两个ＭＯＳＦＥＴ（Ｖ１、Ｖ２）和一个控制ＩＣ（Ｎ１）外加一些阻容元件构成。控制ＩＣ负责监测电池电压与回路电流，并控制两个ＭＯＳＦＥＴ的栅极，ＭＯＳＦＥＴ在电路中起开关用途，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断，Ｃ３为延时电容，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作原理分析如下：

１、正常状态

在正常状态下电路中Ｎ１的ＣＯ与ＤＯ脚都输出高电压，两个ＭＯＳＦＥＴ都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于ＭＯＳＦＥＴ的导通阻抗很小，通常小于３０毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。此状态下保护电路的消耗电流为μＡ级，通常小于７μＡ。

２、过充电保护

锂离子电池要求的充电方式为恒流／恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到４．２Ｖ（根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为４．１Ｖ），转为恒压充电，直至电流越来越小。电池在被充电过程中，假如充电器电路失去控制，会使电池电压超过４．２Ｖ后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过４．３Ｖ时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。在带有保护电路的电池中，当控制ＩＣ检测到电池电压达到４．２８Ｖ（该值由控制ＩＣ决定，不同的ＩＣ有不同的值）时，其ＣＯ脚将由高电压转变为零电压，使Ｖ２由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护用途。而此时由于Ｖ２自带的体二极管ＶＤ２的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。在控制ＩＣ检测到电池电压超过４．２８Ｖ至发出关断Ｖ２信号之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由Ｃ３决定，通常设为１秒左右，以防止因干扰而造成误判断。

３、短路保护

电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使Ｕ＞０．９Ｖ（该值由控制ＩＣ决定，不同的ＩＣ有不同的值）时，控制ＩＣ则判断为负载短路，其ＤＯ脚将迅速由高电压转变为零电压，使Ｖ１由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护用途。短路保护的延时时间极短，通常小于７微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不相同。除了控制ＩＣ外，电路中还有一个重要元件，就是ＭＯＳＦＥＴ，它在电路中起着开关的用途，由于它直接串接在电池与外部负载之间，因此它的导通阻抗对电池的性能有影响，当选用的ＭＯＳＦＥＴ较好时，其导通阻抗很小，电池包的内阻就小，带载能力也强，在放电时其消耗的电能也少。

４、过电流保护

由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过２Ｃ（Ｃ＝电池容量／小时），当电池超过２Ｃ电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的２个ＭＯＳＦＥＴ时，由于ＭＯＳＦＥＴ的导通阻抗，会在其两端出现一个电压，该电压值Ｕ＝Ｉ＊ＲＤＳ＊２，ＲＤＳ为单个ＭＯＳＦＥＴ导通阻抗，控制ＩＣ上的Ｖ－脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使Ｕ＞０．１Ｖ（该值由控制ＩＣ决定，不同的ＩＣ有不同的值）时，其ＤＯ脚将由高电压转变为零电压，使Ｖ１由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护用途。在控制ＩＣ检测到过电流发生至发出关断Ｖ１信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由Ｃ３决定，通常为１３毫秒左右，以防止因干扰而造成误判断。在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制ＩＣ的控制值，还取决于ＭＯＳＦＥＴ的导通阻抗，当ＭＯＳＦＥＴ导通阻抗越大时，对同样的控制ＩＣ，其过电流保护值越小。

５、过放电保护

电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至２．５Ｖ时，其容量已被完全放光，此时假如让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。在电池放电过程中，当控制ＩＣ检测到电池电压低于２．３Ｖ（该值由控制ＩＣ决定，不同的ＩＣ有不同的值）时，其ＤＯ脚将由高电压转变为零电压，使Ｖ１由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护用途。而此时由于Ｖ１自带的体二极管ＶＤ１的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时控制ＩＣ会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于０．１μＡ。在控制ＩＣ检测到电池电压低于２．３Ｖ至发出关断Ｖ１信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由Ｃ３决定，通常设为１００毫秒左右，以防止因干扰而造成误判断