CN202121027U - 一种带有高精度电流保护电路的电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种带有高精度电流保护电路的电池，其主要结构包括电芯Cell、电池保护IC分别联接在正极输出端子和负极输出端子之间。电芯Cell串联有二级保护原件、检流电阻器R3和场效应管Q1、场效应管Q2。电池保护IC的VDD引脚通过电阻器R1与电芯Cell的正级联接，同时电池保护IC的VDD引脚通过电容C1联接于二级保护原件与检流电阻器R3之间；电池保护IC的VSS、CS引脚分别联接在检流电阻器R3的两端，CS引脚与场效应管Q1的源极联接；正极输出端子和负极输出端子之间联接有电容器C2。本实用新型具有过流保护的精度可提高30％，电路的实用性，扩展性更强的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电池，特别是涉及一种带有高精度电流保护电路的电池。
背景技术
随着科技进步与社会发展，象手机、笔记本电脑、MP3播放器、PDA、掌上游戏机、数码摄像机等便携式设备已越来越普及，这类产品中有许多是采用锂离子电池供电，而由于锂离子电池的特性与其它可充电电池不同，内部通常都带有一块电路板，不少人对该电路的作用不了解，本文将对锂离子电池的特点及其保护电路工作原理进行阐述。
锂电池分为一次电池和二次电池两类，目前在部分耗电量较低的便携式电子产品中主要使用不可充电的一次锂电池，而在笔记本电脑、手机、PDA、数码相机等耗电量较大的电子产品中则使用可充电的二次电池，即锂离子电池。
与镍镉和镍氢电池相比，锂离子电池具备以下几个优点：
1.电压高，单节锂离子电池的电压可达到3.6V，远高于镍镉和镍氢电池的1.2V电压；
2.容量密度大，其容量密度是镍氢电池或镍镉电池的1.5-2.5倍；
3.荷电保持能力强(即自放电小)，在放置很长时间后其容量损失也很小；
4.寿命长，正常使用其循环寿命可达到500次以上；
5.没有记忆效应，在充电前不必将剩余电量放空，使用方便；
由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应，该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。
目前，常用的理电池的电流保护电路的方案一般是在大电流情况下，保护IC采集因Mosfet内阻产生的电压信号，保护IC作出判断是否切断电路，从而实现电池电路的过流保护。因为Mosfet内阻不稳定，而且个体差异大，并且容易受到外界环境影响，所以用这种电流保护电路所得出的过流保护值一致性很差，范围宽，过流保护点不稳定.易导致电池过流保护提前或推后，影响电池的使用，甚至会造成电芯永久性伤害。
另外，在上述模式电流保护电路的锂电池，如果保护IC和Mosfet固定，则过流保护值范围也将固定，不利于电路的扩展。不便于产品进行扩展性改进。
现有技术具有以下缺点：
1.过流保护电路的过流保护值一致性差；
2.保护范围宽，过流保护点不稳定；
3.不利于电路扩展；
目前市场上缺乏一种能解决锂电池因过流保护点不稳定导致产品性能下降，并且能利用相同的保护IC，通修改检流电阻的值，可实现不同的过流保护功能，电路的实用性强，扩展性优越的高精度电流保护电路的锂电池。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于目前所使用的锂电池过流保护电路的过流保护值一致性差，保护范围宽，过流保护点不稳定，并且不利于电路扩展等缺点，重新设计一种带有高精度电流保护电路的电池，其主要结构包括电芯Cell、电池保护IC，还有分别联接在电芯Cell的正、负极的正极输出端子Pack+和负极输出端子Pack-。所述的电芯Cell负极与负极输出端子Pack-之间依次串联有二级保护原件、检流电阻器R3和场效应管Q1、场效应管Q2。所述检流电阻器R3与场效应管Q1的源极联接，场效应管Q1的漏极与场效应管Q2的漏极相联接，场效应管Q1与场效应管Q2分别形成一个MOSFET电路的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断。控制IC的CS引脚为电流监测脚。所述的电池保护IC的VDD引脚通过电阻器R1与电芯Cell的正级联接，同时电池保护IC的VDD引脚通过电容C1联接于二级保护原件与检流电阻器R3之间；电池保护IC的VSS、CS引脚分别联接在检流电阻器R3的两端，电池保护IC的CS引脚与场效应管Q1的源极联接；电池保护IC的CO、DO号引脚分别与场效应管Q1、Q2的栅极联接；电池保护IC的V-引脚通过电阻器R2与场效应管Q2的源极联接；正极输出端子Pack+和负极输出端子Pack-之间联接有电容器C2。
所述的二级保护原件为自恢复熔断器PTC。
该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作原理分析如下：
1、正常状态
在正常状态下电路中电池保护IC的“CO”与“DO”脚都输出高电压，两个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。
此状态下保护电路的消耗电流为μA级，通常小于7μA。
2、过充电保护
锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到4.2V(根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为4.1V)，转为恒压充电，直至电流越来越小。
电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过4.3V时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。
在带有保护电路的电池中，当控制电池保护IC检测到电池电压达到4.28V(该值由控制电池保护IC决定，不同的电池保护IC有不同的值)时，其“CO”脚将由高电压转变为零电压，使Q2由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于Q2自带的体二极管VD2的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。
在控制电池保护IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断Q2信号之间，还有一段延时时间，该延时时间通常由控制电池保护IC决定，以避免因干扰而造成误判断。
3、过放电保护
电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至2.5V时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。
在电池放电过程中，当控制电池保护IC检测到电池电压低于2.3V(该值由控制IC决定，不同的电池保护IC有不同的值)时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使Q1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于Q1自带的体二极管的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。
由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时控制电池保护IC会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于0.1μA。
在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断Q1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间通常由控制IC决定，以避免因干扰而造成误判断。
4、过电流保护
由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C(C＝电池容量/小时)，当电池超过2C电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。
电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过检流电阻R3时，会在其两端产生一个电压，该电压值U＝I*R3，控制IC上的“V-”脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使U＞0.1V(该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值)时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使Q1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。
在控制电池保护IC检测到过电流发生至发出关断Q1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间通常由控制电池保护IC决定，以避免因干扰而造成误判断。
部分控制电池保护IC还具有充电过流保功能，原理同上面类似，其中U的值为负值，保护时“CO”脚将由高电压转变为零电压，使Q2由导通转为关断，从而切断了放电回路。
在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制电池保护IC的控制值，还取决于R3的电阻，当R3的电阻越大时，对同样的控制电池保护IC，其过电流保护值越小。
5、短路保护
电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U＞0.9V(该值由控制电池保护IC决定，不同的电池保护IC有不同的值)时，控制电池保护IC则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使Q1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于1000微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。
本实用新型与现有技术相比，过流保护的精度可提高30％，电路的实用性，扩展性更强。
附图说明
图1为本实用新型实施例一的电路结构示意图。
具体实施方式
实施例一：如图1所示，本实施例的结构包括电芯Cell、电池保护IC，还有分别联接在电芯Cell的正、负极的正极输出端子Pack+和负极输出端子Pack-。所述的电芯Cell负极与负极输出端子Pack-之间依次串联有二级保护原件、检流电阻器R3和场效应管Q1、场效应管Q2。所述检流电阻器R3与场效应管Q1的源极联接，场效应管Q1的漏极与场效应管Q2的漏极相联接，场效应管Q1与场效应管Q2分别形成一个MOSFET电路的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断。控制IC的CS引脚为电流监测脚。所述的电池保护IC的VDD引脚通过电阻器R1与电芯Cell的正级联接，同时电池保护IC的VDD引脚通过电容C1联接于二级保护原件与检流电阻器R3之间；电池保护IC的VSS、CS引脚分别联接在检流电阻器R3的两端，电池保护IC的CS引脚与场效应管Q1的源极联接；电池保护IC的CO、DO号引脚分别与场效应管Q1、Q2的栅极联接；电池保护IC的V-引脚通过电阻器R2与场效应管Q2的源极联接；正极输出端子Pack+和负极输出端子Pack-之间联接有电容器C2。
所述的二级保护原件为自恢复熔断器PTC。
Claims (2)
1.一种带有高精度电流保护电路的电池，其主要结构包括电芯Cell、电池保护IC和分别联接在电芯Cell的正、负极的正极输出端子Pack+和负极输出端子Pack-，其特征在于所述的电芯Cell负极与负极输出端子Pack-之间依次串联有二级保护原件、检流电阻器R3和场效应管Q1、Q2；所述检流电阻器R3与场效应管Q1的源极联接，场效应管Q1的漏极与场效应管Q2的漏极相联接；所述的电池保护IC的VDD引脚通过电阻器R1与电芯Cell的正级联接，同时电池保护IC的VDD引脚通过电容C1联接于二级保护原件与检流电阻器R3之间；电池保护IC的VSS、CS引脚分别联接在检流电阻器R3的两端，电池保护IC的CS引脚与场效应管Q1的源极联接；电池保护IC的CO、DO号引脚分别与场效应管Q1、Q2的栅极联接；电池保护IC的V-引脚通过电阻器R1与场效应管Q2的源极联接；正极输出端子Pack+和负极输出端子Pack-之间联接有电容器C2。
2.根据权利要求1所述的带有高精度电流保护电路的电池，其特征在于所述的二级保护原件为自恢复熔断器PTC。
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