Was sind die Schutzschaltungen und Funktionsprinzipien von Lithiumbatterien?

Die Schaltung hat die Funktionen Überladeschutz, Überentladungsschutz, Überstromschutz und Kurzschlussschutz. Seine Arbeitsprinzipien werden wie folgt analysiert:

1 Normal

Im normalen Zustand der Schaltung geben die "CO" - und "DO" -Füße von N1 Gaodianya aus, beide MOSFETs befinden sich in einem Leitungszustand, und die Batterie kann frei geladen und entladen werden, da die MOSFETs normalerweise eine sehr kleine Leitungsimpedanz haben weniger als 30 mm, daher hat sein Leitungswiderstand wenig Einfluss auf die Leistung der Schaltung. Der von der Schutzschaltung in diesem Zustand verbrauchte Strom beträgt μA, normalerweise weniger als 7 μA.

2 Überladeschutz

Lithium-Ionen-Batterien sind eine Art wiederaufladbarer Batterien. Die erforderliche Lademethode ist der Konstantstrom / Konstantdruck. In der Anfangsphase des Ladens wird der konstante Strom geladen. Mit dem Ladevorgang steigt die Spannung auf 4,2 V (je nach Kathodenmaterial benötigen einige Batterien einen konstanten Druck). Der Wert beträgt 4,1 V). Umschalten auf Konstantspannung, bis der Strom immer kleiner wird. Wenn der Akku aufgeladen wird und der Ladekreis außer Kontrolle gerät, wird die Batteriespannung weiter aufgeladen, nachdem die Batteriespannung 4,2 V überschritten hat. Zu diesem Zeitpunkt steigt die Batteriespannung weiter an. Wenn die Batteriespannung auf mehr als 4,3 V aufgeladen wird, verstärkt sich die chemische Seite der Batterie. Die Reaktion verstärkt sich, verursacht Batterieschäden oder Sicherheitsprobleme.

Wenn in einer Batterie mit einer Schutzschaltung der Steuer-IC eine Batteriespannung von 4,28 V erfasst (dieser Wert wird vom Steuer-IC bestimmt und verschiedene ICs haben unterschiedliche Werte), wird sein "CO" -Fuß von Gaodianya in Nullspannung umgewandelt. , Der V2 wird von der Führung zum Aus ausgeschaltet, wodurch die Ladeschleife unterbrochen wird, sodass das Ladegerät den Akku nicht mehr aufladen kann und eine Rolle beim Überladeschutz spielt. Zu diesem Zeitpunkt kann die Batterie aufgrund des Vorhandenseins der V2-eigenen Körperdiode VD2 die externe Last über die Diode entladen.

Es gibt auch eine Verzögerungszeit zwischen dem Steuer-IC, der erkennt, dass die Batteriespannung 4,28 V überschreitet, und dem Aus-V2-Signal. Die Länge der Verzögerungszeit wird durch C3 bestimmt und normalerweise auf ungefähr 1 Sekunde eingestellt, um eine Fehleinschätzung aufgrund von Interferenzen zu vermeiden.

3 Überentladungsschutz

Während des Entladevorgangs mit externer Last nimmt die Spannung der Batterie mit dem Entladevorgang allmählich ab. Wenn die Batteriespannung auf 2,5 V abfällt, ist ihre Kapazität vollständig entladen. Wenn der Akku die Last zu diesem Zeitpunkt weiter entlädt, wird der Akku beschädigt. Permanenter Schaden.

Wenn der Steuer-IC während der Batterieentladung feststellt, dass die Batteriespannung weniger als 2,3 V beträgt (dieser Wert wird vom Steuer-IC und verschiedenen ICs mit unterschiedlichen Werten bestimmt), wird sein "DO" -Fuß von Gaodianya in Nullspannung umgewandelt. Der V1 wird von Leitung zu Abschaltung geschaltet, wodurch die Entladeschleife unterbrochen wird, so dass die Batterie die Last nicht mehr entladen kann und eine Überentladungsschutzrolle spielt. Zu diesem Zeitpunkt kann das Ladegerät aufgrund der Existenz der V1-eigenen Körperdiode VD1 die Batterie über diese Diode aufladen.

Da die Batteriespannung unter Überentladungsschutz nicht mehr reduziert werden kann, ist der von der Schutzschaltung verbrauchte Strom extrem gering. Zu diesem Zeitpunkt tritt der Steuer-IC in einen Niedrigleistungszustand ein und die gesamte Schutzschaltung verbraucht weniger als 0,1 μA.

Es gibt auch eine Verzögerungszeit zwischen dem Steuer-IC, der erkennt, dass die Batteriespannung weniger als 2,3 V beträgt, und dem Signal Off V1. Die Länge der Verzögerungszeit wird durch C3 bestimmt und normalerweise auf etwa 100 Millisekunden eingestellt, um Interferenzen zu vermeiden. Fehleinschätzung.

4 Überstromschutz

Aufgrund der chemischen Eigenschaften von lithiumbatterien haben die Batteriehersteller festgelegt, dass der Entladestrom 2 ° C nicht überschreiten darf (C = Batteriekapazität / Stunde). Wenn die Batterie die 2C-Stromentladung überschreitet, führt dies zu dauerhaften Schäden an der Batterie oder zu Sicherheitsproblemen.

Während der normalen Entladung der Batterie zur Last, wenn der Entladestrom durch zwei MOSFETs in Reihe fließt, wird aufgrund der Leitungsimpedanz des MOSFET an beiden Enden des MOSFET eine Spannung erzeugt. Der Spannungswert U = I * RDS * 2, RDS ist eine einzelne MOSFET-Leitungsimpedanz. Der "V-" -Fuß am Steuer-IC erkennt den Spannungswert. Wenn die Last aus irgendeinem Grund eine Anomalie verursacht, steigt der Schleifenstrom an. Wenn der Schleifenstrom groß genug ist, um U 0,1 V zu erzeugen (dieser Wert wird vom Steuer-IC bestimmt. Wenn verschiedene ICs unterschiedliche Werte haben, werden ihre "DO" -Füße von Gaodianya in Nullspannung umgewandelt, so dass V1 geschaltet wird Ein und Aus, wodurch die Entladungsschleife abgeschnitten wird, so dass der Strom in der Schleife Null ist, was einen Überstromschutz bewirkt.

Es gibt auch eine Verzögerungszeit zwischen dem Steuer-IC, der erkennt, dass der Überstrom auftritt, und dem Aus-V1-Signal. Die Länge der Verzögerungszeit wird durch C3 bestimmt, normalerweise ungefähr 13 Millisekunden, um eine Fehleinschätzung aufgrund von Interferenzen zu vermeiden.

In dem obigen Steuerprozess ist ersichtlich, dass die Größe des Überstromerfassungswerts nicht nur vom Steuerwert des Steuer-IC abhängt, sondern auch von der Leitungsimpedanz des MOSFET. Wenn die MOSFET-Leitungsimpedanz größer ist, ist der Schutzwert des Überstroms für denselben Steuer-IC kleiner.

Kurzschlussschutz

Wenn die Batterie die Last entlädt und der Schleifenstrom groß genug ist, um U 0,9 V zu erzeugen (dieser Wert wird vom Steuer-IC bestimmt und verschiedene ICs haben unterschiedliche Werte), wird der Steuer-IC als Lastkurzschluss beurteilt. Sein "DO" -Fuß ändert sich schnell von Gaodianya auf Nullspannung, so dass V1 von Leitung zu Aus abschaltet, wodurch die Entladungsschleife unterbrochen wird und eine Kurzschlussschutzrolle gespielt wird. Die Verzögerungszeit für den Kurzschlussschutz ist extrem kurz, normalerweise weniger als 7 Mikrosekunden. Sein Funktionsprinzip ähnelt dem des Überstromschutzes, aber die Beurteilungsmethode ist unterschiedlich, und auch die Schutzverzögerungszeit ist unterschiedlich.

Das Obige beschreibt das Funktionsprinzip einer Ein-Segment-Lithium-Ionen-Batterieschutzschaltung. Das Schutzprinzip von Lithium-Ionen-Batterien der Multi-Segment-Serie ist ähnlich. Es wird hier nicht wiederholt. Der in der obigen Schaltung verwendete Steuer-IC ist die R5421-Serie der Ricoh Corporation of Japan. In der eigentlichen Batterieschutzschaltung gibt es viele andere Arten von Steuer-ICs, wie die S-8241-Serie von Japan Seiko, die MM3061-Serie von MITSUMI in Japan, die FS312- und FS313-Serie von Fujing in Taiwan, die AAT8632-Serie von Taiwan in Analogtechnologie usw. Das Funktionsprinzip ist ähnlich, aber es gibt Unterschiede in bestimmten Parametern. Um Peripherieschaltungen zu sparen, haben einige Steuer-ICs Filterkondensatoren und Verzögerungskondensatoren innerhalb des Chips erreicht, und ihre Peripherieschaltungen können sehr wenige sein, wie beispielsweise die S-8241-Serie von Japan Seiko. Neben der Steuerung des IC gibt es eine wichtige Komponente in der Schaltung, den MOSFET, der als Schalter in der Schaltung fungiert. Da es direkt zwischen der Batterie und der externen Last verbunden ist, wirkt sich seine Leitungsimpedanz auf die Leistung der Batterie aus. Wenn der ausgewählte MOSFET gut ist, ist seine Leitungsimpedanz klein, der Innenwiderstand des Batteriepacks ist klein, die Tragfähigkeit ist ebenfalls stark und die während der Entladung verbrauchte elektrische Energie ist ebenfalls gering.

Mit der Entwicklung der Technologie wird das Volumen tragbarer Geräte immer kleiner, und mit diesem Trend werden die Anforderungen an das Schutzschaltungsvolumen von Lithium-Ionen-Batterien immer kleiner. In diesen zwei Jahren gab es Produkte, die den Steuer-IC und den MOSFET in einen Schutz-IC integrieren, wie beispielsweise die DA7112-Serie von DIALOG. Einige Hersteller kapseln sogar die gesamte Schutzschaltung in einen kleinen IC, wie beispielsweise die Produkte von MITSUMI.

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