原创物联网系统中二次电池充电保护方案硬件设计分享_锂电池保护芯片

 2024-10-9 13:18  179 1 1 分类: 物联网

物联网系统中为什么要使用锂电池保护芯片

在物联网系统中使用锂电池保护芯片的原因主要有以下几点：

保护电池安全

防止过充和过放：锂电池在充放电过程中，如果充电时间过长或放电至极低电压，可能会导致电池损坏、容量衰减甚至起火爆炸等安全隐患。锂电池保护芯片能够实时监测电池的电压，当电池电压达到设定的过充或过放阈值时，自动切断充放电回路，从而保护电池不受损害。
防止短路和过流：短路和过流是锂电池常见的安全问题，可能由外部因素（如线路破损、接触不良等）或内部因素（如电池内部短路）引起。锂电池保护芯片具备短路保护和过流保护功能，能够在检测到短路或过流时迅速切断电路，防止电池损坏和安全事故的发生。

提高电池寿命

均衡管理：锂电池组中的各个单体电池由于制造工艺、使用环境等因素的差异，其性能可能会存在一定的差异。这种差异在充放电过程中会逐渐累积，导致某些单体电池过早失效，从而影响整个电池组的寿命。锂电池保护芯片可以通过均衡管理功能，对单体电池进行充电和放电的均衡控制，使得各个单体电池的性能保持一致，从而延长整个电池组的寿命。
温度管理：锂电池对温度极为敏感，过高或过低的温度都会对其性能产生负面影响。锂电池保护芯片能够实时监测电池的温度，并根据需要启动相应的温度保护措施（如散热、加热等），以保证电池在适宜的温度范围内工作，从而提高电池的寿命和可靠性。

保障系统稳定运行

实时监测与故障预警：锂电池保护芯片能够实时监测电池的电压、电流、温度等关键参数，并在检测到异常情况时及时发出预警信号。这种实时监测和故障预警功能可以帮助物联网系统及时发现并处理电池故障，避免因为电池故障而导致整个系统停机或数据丢失等问题。
提高系统安全性：物联网系统通常分布在广泛的地域范围内，包括偏远地区、城市基础设施、工业现场等。由于物联网设备种类繁多且数量庞大，电池的安全性成为影响整个系统安全性的重要因素之一。使用锂电池保护芯片可以大大提高电池的安全性，从而保障整个物联网系统的稳定运行。

锂电池保护芯片的应用场景

锂电池保护芯片广泛应用于各种需要锂电池供电的设备中，包括但不限于：

便携式电子设备：如手机、平板电脑、笔记本电脑等。
电动交通工具：如电动自行车、电动汽车等。
储能系统：如家用储能电池、太阳能储能系统等。
工业设备：如无线传感器、工业控制器等。

综上所述，物联网系统中使用锂电池保护芯片是为了保护电池安全、提高电池寿命以及保障系统稳定运行。这些功能对于确保物联网系统的可靠性和安全性具有重要意义。

本文会再为大家详解电源芯片家族中的一员——锂电池保护芯片。

锂电池保护芯片的定义

锂电池保护芯片是一种用于保护锂电池免受过充、过放、过流和短路等异常情况的电子设备。它能够实时检测电池的电压、电流和温度等参数，当这些参数超出安全范围时，通过切断电池与外部电路的连接来保护电池不受损害。

锂电池保护芯片的原理

锂电池保护芯片的工作原理基于微控制器或专用的保护电路。当电池电压或电流超过设定的阈值时，保护芯片会立即断开关联的MOSFET开关来切断电路，以达到保护电池的目的。保护芯片通常由电压检测电路、电流检测电路、比较器、开关管等组成，通过对电池电压和电流进行实时监测和比较，当检测到异常情况时，通过控制开关管的状态来实现切断电池与外部电路之间的连接。

保护芯片工作原理中的主要元器件的介绍：

　　IC：对电池电压进行采样，然后根据判断发出各种指令来进行保护，是保护芯片的核心

　　MOS管：主要起到开关控制作用。

　　保护芯片正常工作：

　　MOS管在保护芯片上的最初可能是关闭状态，当锂电池被连接到保护芯片之后， MOS管首先被触发， P+和P-端才有输出电压，触发了常用的方法-将B-短接用一根导线。

　保护芯片过充保护：

　　在P+和P-之间连接一个高于电池电压的电源，电源的正极连接B+，电源的负极连接B-。连接电源后，锂电池开始充电，电流方向流向电流，从电源正极流经电池、D1、MOS2到电源负极。IC通过电容取样电池电压值。当电池电压达到4.25v时，IC发出指令，使引脚CO处于低电平。此时，电流从电源正极出发，流经电池，电路起到保护作用。

　　保护芯片过放保护：

　　当 P+对P-进行适当的负载连接后，电池开始放电，如I2，电流从电池的正极经负载、D2、MOS1到电池负极；当电池放电至2.5 v时， IC取样，发出指令，使MOS1截止，电路断开，电池被保护。

　　过流保护：

　　当 P+对P-进行适当的负载连接时，电池开始放电，其电流方向如I2，电流从电池的正极经负载、D2、MOS1到电池的负极，当负载骤减时 IC通过 VM引脚采样到突发性增加电流所产生的电压时， IC采样并发出指令，让MOS1截止，回路断开电池。

　　短路保护：

　　当 P+对P-上接负载后，电池开始放电电流方向，如I2，电流从电池的正极经负载、D2、MOS1进入电池的负极， IC通过 VM引脚采集突发性增加电流而产生的电压，然后 IC采样并发出指令，让MOS1截止，回路断开锂电池。

锂电池保护芯片的分类

锂电池保护芯片可以根据其保护功能和适用范围进行分类。常见的分类包括：

单节电池保护芯片：适用于单个锂电池的保护，提供过充、过放、过流和短路等基本保护功能。
多串电池保护芯片：适用于多个锂电池串联组成的电池组，能够独立检测每节电池的电压，并提供过充、过放、过流、短路以及均衡充电等保护功能。
高精度保护芯片：具有更高的电压和电流检测精度，适用于对电池性能要求较高的应用场景。

锂电池保护IC的功能

　　锂电池除了过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能等锂电的保护IC功能外，还有其他的保护IC的新功能。

　　过度充电保护的高精密度化

　　当锂离子电池处于过度充电状态时，为了防止温度升高引起的内压升高，必须停止充电状态。保护IC将检测电池电压。当检测到过度充电时，过度充电检测的功率MOSFET将切断并停止充电。此时，应注意过度充电检测电压的高精度化。当电池充电时，用户非常关心将电池充电到饱满状态，并考虑到安全问题。因此，当达到允许电压时，需要停止充电状态。为了同时满足这两个条件，必须有高精度的探测器。目前，探测器的精度为25mV，需要进一步提高。

　　降低保护IC的耗电

　　随着使用时间的增加，充电锂电池的电压会逐渐降低，最终低于规格和标准值。此时，需要再次充电。如果继续使用而不充电，电池可能会因过度放电而无法继续使用。为了防止过度放电，必须检测电池电压以保护IC。一旦达到过度放电检测电压以下，必须切断放电方的功率MOSFET并切断放电。但此时，电池本身仍有自然放电和IC保护的消耗电流，因此有必要将IC保护消耗的电流降到最低。

　　过电流/短路保护需有低检测电压及高精密度的要求

　　因不明原因导致短路时，必须立即停止放电。过电流检测以功率MOSFET的Rds(on)为感应阻抗，以监测其电压的下降。此时，如果电压高于过电流检测电压，则停止放电。为了使功率MOSFET的Rds(on)在充电电流和放电电流中得到有效应用，阻抗值应尽可能低。目前阻抗约为20mΩ——30mΩ，过电流检测电压较低。

　　耐高电压

　　由于锂电池组在充电过程中瞬间产生高压，所以保护 IC应满足耐高压要求。

　　低电池功耗

　　在保护状态时，其静态耗电流必须要小0.1μA.

　　零伏可充电

　　一些锂电池在贮存过程中由于放置时间过长或异常等原因，会使电压降至0 V，因此需要保护 IC在0 V时也可实现充电。

锂电池保护芯片的选型参数

在选型锂电池保护芯片时，需要考虑以下参数：