可充电的锂离子电池具有输出电压高、比能量高、放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应等优点,应用越来越广泛,特别是手机的小型化及普及,使锂离子电池用量猛增。为了适应各种不同的便携式电子产品的需要,除单节锂离子电池外,还有2~4节锂离子电池组成的电池组。
锂离子电池较为“娇气”,若在充电过程中充电电压高于规定电压控制工程网版权所有,充电电流超过规定电流;或在放电过程中有过大的放电电流;放电到终止放电电压还继续放电,就会损坏电池或使之报废。由于目前锂离子电池价格较贵,因此开发出各种保护元件、保护器及监控器,它们可有效地保护锂离子电池在充电或使用不当而损坏,监控电池能量的信号输出。
PTC聚合物保护元件是最简单的保护器,它可保护锂离子电池在充电或放电过程中不因过大充、放电流或短路而造成电池损害。但它解决不了在充电过程中的充电电压过高(过充电)或放电过程中的电池电压过低(低于终止放电电压,称过放电),所以开发出功能完善的保护器集成电路。
锂离子电池的基本参数 使用有一定要求:充电温度0~45℃;放电或保存温度 -20~+60℃。锂离子电池不适合大电流充放电。一般充电电流不大于1C,放电电流不大于2C(C是电池的容量,如C=950mAh,1C的充电率即充电电流为950mA)。 充电、放电在20℃左右效果较好,在负温下不能充电,并且放电效果差,(在-20℃放电效果最差,不仅放电电压低,放电时间比20℃放电时的一半还少)。 锂离子电池保护器IC 对锂离子电池保护器的基本要求: 单节锂离子电池保护器 AIC1811组成的单节锂离子电池保护电路如图1所示,其内部结构简化图及外部元器件图如图2所示。V1为控制放电的MOSFET,V2为控制充电的MOSFET,R1、C1用来消除充电器输入电压的纹波及干扰电压,R2为防止充电器电源接反时保护CS端的电阻,R3为V2的偏置电阻,FU为保险丝,BATT+及BATT-为电池组的正极和负极(此保护器电路置于电池中)。 在正常充、放电时,V1、V2都导通。充电电流从BATT+流入,经保险丝向电池充电,经V1、V2后由BATT-流出。正常放电时,电流由BATT+经负载RL(图1中未画出)后,经BATT-及V2、V1流向电池负极,其电流方向与充电电流方向相反。由于V1、V2的导通电阻RDS(ON)极小,因此损耗较小。 几种保护的工作状态如下(参看图2):
锂离子电池的额定电压为3.6V(少数的是3.7V)。充满电时的终止充电电压与电池
阳极材料有关:石墨的4.2V;焦炭的4.1V。充电时要求终止充电电压的精度在±1%之内。锂离子电池的终止放电电压为2.4~2.7V(电池厂家给出工作电压范围或终止放电电压的参数略有不同)。高于终止充电电压及低于终止放电时会对电池有损害。
锂离子电池保护器IC有适用于单节的及2~4节电池组的。这里介绍这类保护器的要求,并重点介绍单节锂离子电池保护器电路。
1.充电时要充满,终止充电电压精度要保护±1%;
2.在充、放电过程中不过流,并有短路保护;
3.到达终止放电电压要禁止继续放电CONTROL ENGINEERING China版权所有,终止放电电压精度在±3%左右;
4.对深度放电的电池(低于终止放电电压)在充电前以涓流方式预充电;
5.为了工作稳定可靠CONTROL ENGINEERING China版权所有,防止瞬态电压变化的干扰,内部有过充电、过放电、过流保护的延时电路,防止瞬态干扰造成误动作;
6.在多个串联的电池组充电时,要保护各节电池电压的匹配平衡,匹配精度要求±10%左右;
7.自身耗电省(无论在充、放电时保护器都是通电工作的)。单节电池保护器耗电一般小于10μA,多节的一般在20μA左右;在到达终止放电时控制工程网版权所有,它处于关闭状态,一般耗电2μA以下;
8.保护器电路简单,外围元器件少,占空间小,可以做在电池或电池组中;
9.价格低。
这里以AIC1811单节锂离子电池保护器为例来说明保护器的电路及工作原理。该器件主要特点:终止充电电压有4.35V、4.30V及4.25V(分别由型号后缀A、B、C表示),充电电压精度可达±30mV(±0.7%);耗电省,在3.5V工作电压时工作电流典型值7μA,到达终止放电后耗电仅0.2μA;有过充、过放、过流保护,并有延时以免瞬态干扰;过放电电压2.4V,精度±3.5%;小尺寸5管脚SOT-25封装;工作温度范围-20~+80℃。
1.过充电保护
P1为控制过充电的带滞后的比较器www.cechina.cn,R6、R7组成分压器接在锂离子电池两端,其中间头检测电池的电压并接在R1的同相端,P1的反相端接1.2V基准电压。充电时电池电压低于过充电阈值电压时