矿用锂电池充电保护电路的研制

1、近设定深度报警,分别用于上提接近井口时提醒、仪器出井口声光报警和定位提示。2.3数据处理和控制功能数据处理内容包括:计数脉冲的读取和预置;未校正深度的计算;深度校正;硬件定时器的触发和中断;速度计算;张力、方向张力和差分张力计算;汉字提取与显示;触摸屏通信和键值计算;各报警项的判断与触发;数据存储和打印的接口通信。现场操作时,由于一般工程绞车都采用角速度控制,长时间的井下作业过程中,电缆的线速度变化大,操作员需要时刻注意绞车的工作状态,并不断调整,以保证电缆线速度基本恒定,满足井下作业需要。可结合液压电控制器,构建闭环线速度控制回路。3结语在消化吸收引进设备的功能基础上,结合技术发展和国产化要

2、求,设计了新的工程绞车测控装置。对测控电路作了改进,增加部分实用功能,可与目前国内各种石油工程绞车配套使用。第4期2006年8月工矿自动化Industr y and M ine Automat ionNo.4Aug.2006文章编号:1671-251X(200604-0079-03矿用锂电池充电保护电路的研制马宏伟1,李彬2(1.西安科技大学,陕西西安710054; 2.陕西压延设备厂,陕西富平711711摘要:介绍了锂电池的优势和保护电路的特点。用IC做充电管理,设计了一种矿用锂电池充放电管理电路,并给出了充电参数的设置方法和充放电控制的状态流程。为矿用锂电池保护电路的设计提供了一种参考。关

3、键词:矿用锂电池;充电保护;短路保护中图分类号:TD611文献标识码:B0引言锂电池具有较高的能量重量比和能量体积比,无记忆效应,可重复充电次数多,使用寿命较长,价格也越来越低。它的这些特点促进了便携式产品向更小更轻的方向发展,使得选用单节锂电池供电的产品也越来越多。本文主要就矿用锂电池充电保护电路作一介绍。矿用锂电池的不足之处在于对充电器的要求比较苛刻,对保护电路的要求较高。其要求的充电方式是先恒流后恒压方式,为有效利用电池容量,需将矿用锂电池充电至最大电压,但是过压充电会造成电池损坏,这就要求较高的控制精度(精度高于1%。另外,对于电压过低的电池需要预充,充电终止检测除电压检测外,还需采用

4、其它的辅助方法作为防止过充的后备措施,如检测电池温度、限定充电时间,为电池提供附加保护。由此可见,实现安全高收稿日期:2006-03-11作者简介:马宏伟(1957-,男,陕西兴平人,博士研究生导师。效的充电控制成为矿用锂电池推广应用的瓶颈。1矿用锂电池充电的技术要求分析单体矿用锂电池的充电电压一般严格保持在4.25V(在必要的情况下适当调整?50mV,它的充电电压与充电次数成反比,充电速率通常限制在IC以下。若充电电压超过4.5V,可能造成电池的永久性损坏。锂电池充电特性曲线如图1所示。该充电特性曲线具有负的温度系数(它的限流可利用热敏电阻进行限流,因此环境温度对充放电特性有较大影响,需根据

5、环境温度调整各充电门限参数值。先以IC充电速率充电,在此过程中,充电电流恒定不变,电池电压逐渐上升。当单体电池的电压上升到4.2V(依产品的不同可适当放到4.25V时,充电器应立即转入恒压的充电,充电电压的波动应控制在50mV以内。充电电流逐渐减少,当电池充足电时,电流下降到涓流充电电流。用这种方法,大约需2h,电池可充到额定容量。在这里采用的是先恒流再恒压的充电模式。 图1 锂电池充电特性曲线图2 矿用锂电池保护电路框图及原理矿用锂电池的保护电路原理图如图2 所示。图2 电池保护电路原理图2.1 正常情况当电池处于正常工作状态时,V DD 电压满足4.35V>V DD >2.5V

6、 条件,这时IC 的1脚和3脚输出高电平,外围电路的2个NM OSFET 处于开启状态,电路正常工作。电池连接在V DD 和V SS 之间,通过IC 的V DD 和V SS 来检测电池的电压、IC 的V M 和V SS 控制充电和放电。当电池电压在过放电检测电压(V DL 和过充电检测电压(V CU 的范围内、V M 电压在充电检测电压(V CHA 和过电流1检测电压(V IOV 1范围内时,IC 就通过控制NM OSFET 的打开和关断来控制充电和放电。这是在正常情况下,充电和放电随时可以进行。2.2 过流保护当V M 针电压等于或高于过流检测电压,过放电电流就会超过正常允许值,IC 通过控

7、制NM OS -FET 的关断来停止放电。这种状态被称为过电流保护,主要用于防止电池的放电电流超过所设定的最大值。NMOSFET 导通时有一内阻R ds ,因此可以通过检测NM OSFET 内阻上的电压来确定放电电流的大小。过放电电流的临界值I max 放为I max 放=U max /2R ds式中:U max 是保护芯片检测电压的预设值。 当电池放电时,由d 点检测电压的大小,若高于预设值,则说明放电电流过大,保护芯片就从a 点送出一个低电平关闭NMOSFET 信号,切断电源。在过电流条件下,IC 内部V M 和V SS 针通过一个小电阻被短接,只要连接着负载,负载就会把V M 针的电压拉

8、到V DD 点的电位。当去掉负载,V M 脚的电压就降到V SS 点的电位。当EB+和EB-之间的阻抗比负载阻抗高时,过电流结束,电路恢复正常,并且IC 检测到V M 针电位低于过电流1检测电压(V IOV 1。状态图如图3所示。图3 过电流检测状态图2.3 过充电状态当对矿用锂电池充电到某一状态时(V DD 电压超过4.25 4.30V,称之为过充电状态。在图2中,通过IC 的5脚检测到V DD 电压超过一个阈值电压(4.35V时,通过电阻分压和电压U 1进行比较,输出一个低电平。电平经过一定的逻辑控制和电平位移后经图2中的CO 脚输出,关闭充电保护NM OSFET 管,切断对电池的充电。这

9、个产品要求充电保护电压是4.25V (必要时可适当调整到4.30V 以内,如果超过这个极限值的话,可通过调节图2中的电阻R 1的大小,达到所要求的条件,R 1的取值范围是3004708。在下面两种状况下充电状况被释放:(1电池电压降到过充电检测电压(V CU -过充电检测迟滞电压(V HD 时,IC 打开控制充电的NM OSFET 管,进行充电。状态图如图4所示。 (2接上负载开始放电,IC 就打开充电控制的NM OSFET,并在正常状态下放电。有负载时就放电,放电电流流过控制充电的NMOSFET 里的寄生二极管。这时从V S S 电位增加的寄生二极管的电压V f 使V M 针电位瞬时增加。当

10、V M 针的电压超过过电流检测电压时,如果电池电压被内阻消耗到过充电电压以下,IC 释放过充电。2.4 过放电状态正常放电时电池电压下降到过放电检测电压#80#工矿自动化2006年8月图4过充和过放检测状态图(V DL以下,过放电检测时间(t DL延长,IC工作,使控制放电的NMOSFET管关断,停止放电,这种状态被称为过放电状态。在图2中通过5脚检测。当放电时,电流从EB+流出,电池电压逐渐下降。当V DD电压低于一个阈值电压(2.5V时,通过电阻分压后和电压U2比较,输出一个高电平。通过1个振荡器逻辑控制、1个过电流检测比较电路以及1个分频器逻辑控制,在DO脚输出低电平,关闭外围电路中放电

11、保护的NMOSFET管,这种状态称为过放电保护,用于防止因放电时电池电压低于电池额定电压的下限。该电路要求过放电电压在2.8V左右。当放电控制的NMOSFET关断时,IC内部跨接在V M和V DD之间的电阻又把V M脚的电压拉高。当V M和V DD之间的压差是1.3V时,放电消耗逐渐减小,这种状况被称为断电保护状态。充电器连接好后,V M和V DD之间的压差是1.3V或者更高时,断电保护释放。当电池电压和过放电保护电压(V DL相同或者比它高时,IC打开放电NMOSFET管放电,直到它达到正常值为止。状态图如图4所示。2.5负载的短路保护当IC的2脚电压进一步增大超过1.8V (V short

12、时,电路之间通过一个与门在DO输出一个低电平信号来关闭外围电路的NM OSFET管。过流状态和短路工作状态的检测都是通过外围电路中串联的2个NM OSFET管的导通电阻的压降来实现的,2个NM OSFET管对应图1中的充电NM OSFET和放电N MOSFET。当对电池进行充电和放电,外围电路的电流方向是变化的,它是用于防止电池正负极短路。2.6充电检测在过放电条件下,电池连接在充电器上时,如果V M针的电压比充电检测电压低时,放电控制的NM OSFET被接通;当电池电压和过放电电压相等或者比过放电检测电压(V DL高时,开始充电。这种状态被称为充电检测状态。在过放电条件下,电池连接在充电器上

13、,如果V M针的电压不低于充电检测电压时,在电池电压放到过放电检测电压(V DL+过放电迟滞电压或再高点时,IC释放过充电保护状态。3结语介绍了矿用锂电池保护电路设计的一般原理,给出了矿用锂电池管理芯片重要功能块的实现方法。对于矿用锂电池的一些比较特殊的和比较复杂的功能,比如要对多节矿用锂电池的管理所要求的电路还有待于进一步的研究。参考文献:1樊子宇,高永红,黄立朝.简化BI-CM OS工艺设计的锂离子电池充电管理电路J.半导体技术,2002,27(12:2425.第4期2006年8月工矿自动化Industr y and M ine Automat ionNo.4Aug.2006文章编号:1671-25