锂离子电池 的短路保护电路设计

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50 mΩ ,电池状态为满充电状态,电压为4.16 V。温度传感器贴于电池表面,通过外接50 mΩ 的电阻短接,监测电池的温度和电压变化,结果如图1 所示。电池短路瞬间,电压迅速下降,温度上升。由于电池内部的温度传到表面的温度传感器以及采样都存在时间延迟,电池内部的温度实际上比测量的结果上升得更快更高,经过循环后的电池更不安全。电池组相对于单体电池更容易出现热失控,因此采取迅速的短路保护很必要。

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3a 所示。当正常工作时,MOSFET 都导通, PACK - 端和BAT - 端的压差很小,而且电阻R1 和R2 的阻值很大,所以流过电阻R1 和R2 的电流几乎为零,短路保护MOSFET 不工作,过放控制MOSFET 的栅极因上拉电阻R3 为高电平。当发生短路现象时, PACK + 和PACK - 之间的压差突然变小,PACK- 和BAT - 之间的压差突然变大。电阻R1 和R2 的分压导致了短路保护MOSFET 的栅极电压比源栅极要高,短路保护MOSFET 导通,使过放控制MOSFET 的栅极电压变低,从而切断,锂离子电池组就停止放电,得到保护。由于MOSFET 的源栅极的最大压差约为20 V ,而多组锂离子电池组的总电压大于20 V。短路时,短路保护MOSFET 源栅极的电压差将大于20 V ,从而受损。电阻R1 和R2 的作用就是通过分压来保护短路保护MOSFET , R1 和R2 阻值的调整,要保证短路保护MOSFET 能在发生短路现象时源栅极电压大于开启电压。4 组以下的锂离子电池组不需要分压电阻,把R1 短路、R2 开路即可。电容的作用是防止电路误动作。

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3a 中的位置。图4 中水平方向一格为5μs。在5μs 内,短路保护MOSFET 就开始动作,从而切断过放电控制MOSFET ,使电池组安全;当松开后,恢复正常。

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20 A 的电流,在正常放电过程中大电流放电导致的电压下降不会导致短路保护电路的误动作,这些值可以通过短路保护MOSFET 的开启电压以及过充电、过放电保护MOS2FET 的导通内阻的选择来调节,以保证系统的稳定。如此短的时间对锂离子电池组的性能没有任何影响。该电路可以应用于各种锂离子电池组的保护电路中,也同样可以应用于其他的用MOSFET 开关来控制的电池组模块中。

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。