鉅大LARGE | 點擊量：823次 | 2019年04月27日
電池電路工作原理是什么？智能電池系統(tǒng)的應用有哪些你了解嗎？
電池電路工作原理電路具有過充電保護、過放電保護、過電流保護與短路保護功能，其工作原理分析如下：
1、正常狀態(tài)在正常狀態(tài)下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個MOSFET都處于導通狀態(tài)，電池可以自由地進行充電和放電，由于MOSFET的導通阻抗很小，通常小于30毫歐，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。7|此狀態(tài)下保護電路的消耗電流為μA級，通常小于7μA。
2、過充電保護鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過程，電壓會上升到4.2V（根據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V），轉為恒壓充電，直至電流越來越小。電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會繼續(xù)上升，當電池電壓被充電至超過4.3V時，電池的化學副反應將加劇，會導致電池損壞或出現(xiàn)安全問題。
在帶有保護電路的電池中，當控制IC檢測到電池電壓達到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“CO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?，使V2由導通轉為關斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護作用。而此時由于V2自帶的體二極管VD2的存在，電池可以通過該二極管對外部負載進行放電。在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關斷V2信號之間，還有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常設為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
3、過放電保護電池在對外部負載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當電池電壓降至2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續(xù)對負載放電，將造成電池的永久性損壞。在電池放電過程中，當控制IC檢測到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷海筕1由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使電池無法再對負載進行放電，起到過放電保護作用。而此時由于V1自帶的體二極管VD1的存在，充電器可以通過該二極管對電池進行充電。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
由于在過放電保護狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護電路的消耗電流極小，此時控制IC會進入低功耗狀態(tài)，整個保護電路耗電會小于0.1μA。在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常設為100毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
4、過電流保護由于鋰離子電池的化學特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過2C（C=電池容量/小時），當電池超過2C電流放電時，將會導致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。電池在對負載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個MOSFET時，由于MOSFET的導通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，該電壓值U=I*RDS*2,RDS為單個MOSFET導通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進行檢測，若負載因某種原因導致異常，使回路電流增大，當回路電流大到使U>0.1V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?，使V1由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護作用。
在控制IC檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。在上述控制過程中可知，其過電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于MOSFET的導通阻抗，當MOSFET導通阻抗越大時，對同樣的控制IC，其過電流保護值越小。
5、短路保護電池在對負載放電過程中，若回路電流大到使U>0.9V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，控制IC則判斷為負載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?，使V1由導通轉為關斷，從而切斷放電回路，起到短路保護作用。短路保護的延時時間極短，通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護類似，只是判斷方法不同，保護延時時間也不一樣。
以上詳細闡述了單節(jié)鋰離子電池保護電路的工作原理，多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護原理與之類似，在此不再贅述，上面電路中所用的控制IC為日本理光公司的R5421系列，在實際的電池保護電路中，還有許多其它類型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、臺灣富晶的FS312和FS313系列、臺灣類比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小異，只是在具體參數(shù)上有所差別，有些控制IC為了節(jié)省外圍電路，將濾波電容和延時電容做到了芯片內(nèi)部，其外圍電路可以很少，如日本精工的S-8241系列。除了控制IC外，電路中還有一個重要元件，就是MOSFET，它在電路中起著開關的作用，由于它直接串接在電池與外部負載之間，因此它的導通阻抗對電池的性能有影響，當選用的MOSFET較好時，其導通阻抗很小，電池包的內(nèi)阻就小，帶載能力也強，在放電時其消耗的電能也少。
隨著科技的發(fā)展，便攜式設備的體積越做越小，而隨著這種趨勢，對鋰離子電池的保護電路體積的要求也越來越小
許多新技術，在提高性能的同時也增大了系統(tǒng)的功率消耗。對生產(chǎn)電池的化工企業(yè)來說，電池生產(chǎn)技術的實質(zhì)性進展是很困難的，耗時長、成本高。所以必須尋找尋找優(yōu)化電源保存的方法。智能電池系統(tǒng)（SBS）是出現(xiàn)的最有希望的技術，可以大大提升電池組的性能。
在計算機工業(yè)界，對鋰離子電池真是又愛又怕。在鋰離子電池應用的早期所發(fā)生的事故，仍然讓曾涉入的公司記憶猶新。他們得到了印象深刻的教訓：在任何情況下，都不能超過鋰離子電池的額定參數(shù)，否則肯定會引起爆炸或起火。除電池的化學成份或電極等參數(shù)外，對鋰離子電池來說，還有幾個確定的參數(shù)，如果超過了會使電池進入失控的狀態(tài)。在解釋這些參數(shù)的圖表中（參考鋰離子參數(shù)圖），相應閾值曲線外的任一點都是失控狀態(tài)。隨電池電壓增加，溫度閾值下降。另一方面，任何致使電池電壓超過其設計值的行為都會導致電池過熱。
謹防充電器造成危害
電池組制造商設定了幾層電池和包裝保護，以防止危險的過熱狀態(tài)。但在電池使用中有一個部件可能會使這些措施失敗從而造成危害，這一器件就是充電器。
充電鋰離子電池造成危害的途徑有三種：電池電壓過高（最危險的情況）；充電電流過大（過大充電電流造成鋰電鍍效應，從而引起發(fā)熱）；不能正確地終止充電過程，或在過低的溫度下充電。
鋰離子電池充電器的設計人員采取額外的預防性措施以避免超出這些參數(shù)的允許范圍。以絕對保證系統(tǒng)有關參數(shù)工作在安全的范圍內(nèi)。例如智能電池充電器規(guī)范，允許-9%的電壓負偏差，但強調(diào)正偏差不得超過1%。保證了符合智能電池安全標準。當然，在實際設計中，偏差的正負是隨機的。所以符合此規(guī)范的設計經(jīng)常是使充電器的目標電壓值設定在額定值的-4%附近。
由于充電電壓的不準確（不管是-4%還是-9%），電池始終處于充電不足的狀態(tài)。對鋰離子電池潛在危險的恐懼導致電池組容量的利用率很低。根據(jù)業(yè)界專家的經(jīng)驗，即使充電后電壓只比額定值低0.05%，容量的下降卻高達15%。
電池內(nèi)置入計算機
智能電池技術的原理是很簡單的，在電池內(nèi)置入小型計算機來監(jiān)視和分析所有的電池數(shù)據(jù)，以精確預報剩余電池容量。剩余電池容量可以直接換算成便攜式計算機的剩余工作時間。與原始的僅靠電壓監(jiān)測的容量測量方法相比，可以立即使工作時間延長35%。遺憾的是，智能電池技術也就只能做到這么多了。除非可以和充電器電路互相通信，他們不可以確定其操作環(huán)境或對充電過程進行控制。
在“智能電池系統(tǒng)”環(huán)境下，在特定的電壓和電流情況下，電池請求智能充電器對其進行充電。然后，智能充電器負責根據(jù)請求電壓和電流參數(shù)對電池進行充電。充電器依靠自己內(nèi)部的電壓和電流參考調(diào)整自己的輸出，以與智能電池請求的值相匹配。由于這些基準的不準確度可達-9%，所以充電過程可能在電池只是部分充電的情況下結束。
對充電環(huán)境的更詳細了解可以揭示出更多影響鋰離子電池充電效率的問題。即使在最理想的情況下，假設充電器的精確度為100%，充電通路上位于充電器的電池間的電阻元件引入了額外的壓降，特別是恒流充電階段。這些額外的壓降導致充電過程過早地從恒流進入恒壓階段。由于電阻引入的壓降隨電流降低會逐漸減弱，充電器最終會完成充電過程。但充電時間會延長。恒流充電過程中能量的轉移效率要高一些。
消除電阻壓降
最理想的情況是充電器的輸出準確地消除了電阻壓降的影響?？赡軙腥颂岢鲞@樣的解決方案，在充電過程的所有階段，智能充電器利用智能電池內(nèi)監(jiān)測電路數(shù)據(jù)監(jiān)視并校正自己的輸出。對單個電池系統(tǒng)來說，這是可行的，但對雙或多電池系統(tǒng)就不太適用了。
在雙電池系統(tǒng)中，如果可能的話，最好是同時對兩個電池進行充放電操作。雖然電池充電是并行的，典型的只有一個SMBUS端口的充電器還是不能勝任這一工作。因為如果只有一個SMBUS端口，充電器或其它SMBUS設備，只能同時與一個電池進行通信。所以，理想的系統(tǒng)應該提供兩個或更多個SMBUS端口，這樣，兩個電池就可以同時與充電器通信了。
智能電池系統(tǒng)（SBS）管理器
除提供多個SMBUS端口以外，SBS管理器技術也可以大幅提升鋰離子智能電池的性能。SBS管理器是SBS的一部分，由SBS1.1規(guī)范所定義。它代替了前一版本中定義的智能選擇器（SmartSelector）。
SBS管理器一方面提供了與驅動器和振作系統(tǒng)端的接口，另一方面則對智能電池和充電器進行管理。驅動器可讀取和請求發(fā)送與電池、充電器和管理器本身有關的信息。規(guī)范中定義了與這一信息傳輸有關的接口。在一個多電池系統(tǒng)中，SBS管理器負責選擇系統(tǒng)電源，決定在特定的時刻對那一塊電池進行充電或放電。簡短來說就是，SBS管理器確定對哪一塊電池進行充電，哪一塊進行放電，以及什么時候進行。
一個實現(xiàn)得好的SBS管理有幾大優(yōu)點：更完全、更快速的充電過程、同時進行高效充電和放電、以及對危險情況（如潛在的電壓超限）的檢測和快速反應能力?？梢员O(jiān)測電池本身電壓的SBS管理器可將電池充到其真實的容量?？梢员苊庥捎谥悄艹潆娖饔捎诒O(jiān)視電壓不準（如前所述，一般為-4%到-9%）而造成的充電不足。此外，這一過程并不需要特別精確的基準電壓（精確的電壓基準是很昂貴的）。
避免使用精確電壓基準的策略是利用智能電池內(nèi)部的測量電路測量電池電壓，其精度可達1%。這樣，SBS管理器可命令充電器適當增高電壓直到監(jiān)測到的電壓達到合適的值。實現(xiàn)得好的SBS管理器可使電池的充電過程比傳統(tǒng)充電器快16%。安全地提高充電器的輸出電壓，使其高于電池的額定電壓以補償由于電池的內(nèi)部電阻及回路電阻造成的壓降。通過監(jiān)測電池內(nèi)部電壓并可迅速調(diào)整充電器電壓，可以實現(xiàn)這一過程。
何時及如何充電
SBS管理器可以決定什么時候同時對電池組進行充電。同時充電允許更好地利用充電器的電流進行充電。在單電池系統(tǒng)中，當進入恒壓充電模式時，充電器提供的充電電流隨電池充滿程度的提高而減小。沒有用到的電流被浪費掉了。在利用SBS管理器的雙電池系統(tǒng)中就不是這樣了，對一塊電池充電時利用不上的電流可以為另一塊所用。
而且，SBS管理器可以判斷哪一塊電池的狀態(tài)可以更快地進行能量傳輸。可以最快地增加系統(tǒng)容量的電池最先被充電，哪些可以充入更多的能量的電池則先被快速放電。這樣可以加快充電過程達60%。SBS管理器還可決定何時使能同時放電功能。適當?shù)耐瑫r放電可以使系統(tǒng)容量增加16%之多。
當然，所有這些改進對電池的性能來說都必須是安全的。正如前面討論過的一樣，鋰離子電池有一額定電壓。當加到電池上的電壓達到最大值時，充電過程從恒流轉換至恒壓模式。對這一轉換點的檢測，是由智能充電SBS管理器負責的，根據(jù)是測量到的電池電壓。但SBS管理器比智能充電器的巨大優(yōu)點是，它可以不斷監(jiān)視和校正充電器以及電池電壓。這樣在達到電池的最大容量的情況下還保證了安全。
由于計算機等設備性能不斷提高，能量的需要增長很快，化學電池的改進還無法趕上這一增長速度。雖然SBS技術非常有幫助，但總會有一天僅靠SBS技術無法提供高性能系統(tǒng)需求的功率，需要更為智能化的電源管理方案。
如果那個OEM廠商可以使筆記本電腦持續(xù)工作6個小時而不會明顯地影響到性能，就會迅速占領市場。SBS管理器朝這一目標邁進了一大步。
