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摘要:在锂离子电池短路安全性实验的基础上,分析了短路保护的重要性,设计出了一种新型的锂离子电池组保护电路。该保护电路可方便地运用在采用MOSFET 开关的电流保护电路中。该电路根据短路时电池组电压的变化来设计,并通过实验验证了该保护电路能够在5μs 内动作,从而保护电池组。
关键词:锂离子电池组;保护电路;短路保护
随着锂离子电池组的应用越来越广泛,它的安全性也广受关注。锂离子电池组的专用集成保护芯片都只采取过充电、过放电和过电流保护,然而因一些意外导致的电池组短路现象还是存在。短路造成的回路电流一般在额定工作电流的10 倍以上,而过电流保护需要延迟约几十毫秒,直接短路导致的数十倍额定电流在几十毫秒内也会对电池组的性能产生影响。现有的保护方式有PPTC 法,该方法是通过电流产生的热切断回路,也需要毫秒级的反应时间,同时增加了回路中的阻抗。也有专用于电池组的短路集成芯片,此芯片应用范围窄、成本高。本文作者结合锂离子电池组保护电路中的MOSFET 开关,自行设计了一种短路保护电路。
实验
锂离子电池的短路安全性实验
实验中采用商用18650 型2Ah 锂离子电池, 内阻约为
锂离子电池组的保护原理
锂离子电池组的保护电路如图2 所示,主要由集成保护IC 和过放电、过充电两个MOSFET 来控制,集成保护IC 监测着电池组中每只电池的电压,只要有1 只电池的电压超过过充电检测电压,并保持过充电延迟时间时,过充电检测端将输出信号,切断过充电控制MOSFET ;当接上负载或所有电池的电压小于过充电解除电压时,过充电控制MOSFET 重新打开;当电池组中有1 只电池的电压小于过放电检测电压,并保持过放电延迟时间时,过放电控制端输出控制信号,切断过放电控制MOSFET ;当接上充电器或电池组中的电池电压都大于过放电解除电压时,过放电控制MOSFET 重新打开;当集成保护IC 检测到回路中的电流大于过充放电流检测的值,并保持过充放电流延迟时间时,也会输出控制信号,切断过放电控制MOSFET。
根据集成IC 以及电池组数量的不同,MOSFET 的位置有两种,一种为两个P 型的MOSFET ,接在锂离子电池组的正极如图2 中的虚线框里所示;另一种为两个N 型的MOSFET ,接在锂离子电池组的负极。
短路保护电路的设计
两个N 型MOSFET 锂离子电池组的短路保护电路设计如图
P 型MOSFET 锂离子电池组的短路保护电路如图3b 所示。短路保护工作原理和N 型MOSFET 相似,发生短路故障时,因短路保护MOSFET 导通,导致了过放控制MOSFET 切断回路,使得电流减小到零,一直到外围的短路故障解除,过放控制MOSFET 重新导通。
结果与讨论
根据图3 中的短路保护电路做短路实验。实验中将电池组的PACK+ 和PACK- 端直接相连,短路时PACK+ 和PACK-短接处无火花、发热现象,电池组输出电压为零,断开后电池组电压恢复正常。测试波形如图4 所示。
图4 中Probe 监测点如图
该电路是根据短路时电池组的电压突然下降来动作的,所以比根据短路时电流增大产生热而动作的电路反应要快。实验中短路保护MOSFET 的动作条件为PACK - 与BAT - 之间的压差大于MOSFET 的开启电压,一般MOSFET 的开启电压约为1.5 V左右,因此相对于过充电、过放电保护MOSFET 的内阻,需要约
结论
针对锂离子电池组应用中的安全性问题,结合锂离子电池组保护电路中MOSFET 开关的特点,设计了一种根据短路时电压下降来判断的短路保护电路。该电路能够有效地对锂离子电池组的短路进行快速保护,而且成本低,对锂离子电池组的实用有重要的价值。