物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中二次電池充電保護(hù)方案硬件設(shè)計(jì)分享_鋰電池保護(hù)芯片

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物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用鋰電池保護(hù)芯片

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用鋰電池保護(hù)芯片的原因主要有以下幾點(diǎn)：

保護(hù)電池安全

防止過(guò)充和過(guò)放：鋰電池在充放電過(guò)程中，如果充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或放電至極低電壓，可能會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞、容量衰減甚至起火爆炸等安全隱患。鋰電池保護(hù)芯片能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池的電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定的過(guò)充或過(guò)放閾值時(shí)，自動(dòng)切斷充放電回路，從而保護(hù)電池不受損害。

防止短路和過(guò)流：短路和過(guò)流是鋰電池常見(jiàn)的安全問(wèn)題，可能由外部因素（如線(xiàn)路破損、接觸不良等）或內(nèi)部因素（如電池內(nèi)部短路）引起。鋰電池保護(hù)芯片具備短路保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能，能夠在檢測(cè)到短路或過(guò)流時(shí)迅速切斷電路，防止電池?fù)p壞和安全事故的發(fā)生。

提高電池壽命

均衡管理：鋰電池組中的各個(gè)單體電池由于制造工藝、使用環(huán)境等因素的差異，其性能可能會(huì)存在一定的差異。這種差異在充放電過(guò)程中會(huì)逐漸累積，導(dǎo)致某些單體電池過(guò)早失效，從而影響整個(gè)電池組的壽命。鋰電池保護(hù)芯片可以通過(guò)均衡管理功能，對(duì)單體電池進(jìn)行充電和放電的均衡控制，使得各個(gè)單體電池的性能保持一致，從而延長(zhǎng)整個(gè)電池組的壽命。

溫度管理：鋰電池對(duì)溫度極為敏感，過(guò)高或過(guò)低的溫度都會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生負(fù)面影響。鋰電池保護(hù)芯片能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池的溫度，并根據(jù)需要啟動(dòng)相應(yīng)的溫度保護(hù)措施（如散熱、加熱等），以保證電池在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，從而提高電池的壽命和可靠性。

保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警：鋰電池保護(hù)芯片能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，并在檢測(cè)到異常情況時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警功能可以幫助物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理電池故障，避免因?yàn)殡姵毓收隙鴮?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)或數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。

提高系統(tǒng)安全性：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常分布在廣泛的地域范圍內(nèi)，包括偏遠(yuǎn)地區(qū)、城市基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備種類(lèi)繁多且數(shù)量龐大，電池的安全性成為影響整個(gè)系統(tǒng)安全性的重要因素之一。使用鋰電池保護(hù)芯片可以大大提高電池的安全性，從而保障整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

鋰電池保護(hù)芯片的應(yīng)用場(chǎng)景

鋰電池保護(hù)芯片廣泛應(yīng)用于各種需要鋰電池供電的設(shè)備中，包括但不限于：

便攜式電子設(shè)備：如手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等。

電動(dòng)交通工具：如電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)等。

儲(chǔ)能系統(tǒng)：如家用儲(chǔ)能電池、太陽(yáng)能儲(chǔ)能系統(tǒng)等。

工業(yè)設(shè)備：如無(wú)線(xiàn)傳感器、工業(yè)控制器等。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用鋰電池保護(hù)芯片是為了保護(hù)電池安全、提高電池壽命以及保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。這些功能對(duì)于確保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和安全性具有重要意義。

本文會(huì)再為大家詳解電源芯片家族中的一員——鋰電池保護(hù)芯片。

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1.鋰電池保護(hù)芯片的定義

鋰電池保護(hù)芯片是一種用于保護(hù)鋰電池免受過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流和短路等異常情況的電子設(shè)備。它能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電池的電壓、電流和溫度等參數(shù)，當(dāng)這些參數(shù)超出安全范圍時(shí)，通過(guò)切斷電池與外部電路的連接來(lái)保護(hù)電池不受損害。

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2.鋰電池保護(hù)芯片的原理

鋰電池保護(hù)芯片的工作原理基于微控制器或?qū)Ｓ玫?a href="http://wenjunhu.com/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)電路。當(dāng)電池電壓或電流超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，保護(hù)芯片會(huì)立即斷開(kāi)關(guān)聯(lián)的MOSFET開(kāi)關(guān)來(lái)切斷電路，以達(dá)到保護(hù)電池的目的。保護(hù)芯片通常由電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、比較器、開(kāi)關(guān)管等組成，通過(guò)對(duì)電池電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和比較，當(dāng)檢測(cè)到異常情況時(shí)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)切斷電池與外部電路之間的連接。

保護(hù)芯片工作原理中的主要元器件的介紹：

IC：對(duì)電池電壓進(jìn)行采樣，然后根據(jù)判斷發(fā)出各種指令來(lái)進(jìn)行保護(hù)，是保護(hù)芯片的核心

MOS管：主要起到開(kāi)關(guān)控制作用。

保護(hù)芯片正常工作：

MOS管在保護(hù)芯片上的最初可能是關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)鋰電池被連接到保護(hù)芯片之后， MOS管首先被觸發(fā)， P+和P-端才有輸出電壓，觸發(fā)了常用的方法-將B-短接用一根導(dǎo)線(xiàn)。

保護(hù)芯片過(guò)充保護(hù)：

在P+和P-之間連接一個(gè)高于電池電壓的電源，電源的正極連接B+，電源的負(fù)極連接B-。連接電源后，鋰電池開(kāi)始充電，電流方向流向電流，從電源正極流經(jīng)電池、D1、MOS2到電源負(fù)極。IC通過(guò)電容取樣電池電壓值。當(dāng)電池電壓達(dá)到4.25v時(shí)，IC發(fā)出指令，使引腳CO處于低電平。此時(shí)，電流從電源正極出發(fā)，流經(jīng)電池，電路起到保護(hù)作用。

保護(hù)芯片過(guò)放保護(hù)：

當(dāng) P+對(duì)P-進(jìn)行適當(dāng)?shù)呢?fù)載連接后，電池開(kāi)始放電，如I2，電流從電池的正極經(jīng)負(fù)載、D2、MOS1到電池負(fù)極；當(dāng)電池放電至2.5 v時(shí)， IC取樣，發(fā)出指令，使MOS1截止，電路斷開(kāi)，電池被保護(hù)。

過(guò)流保護(hù)：

當(dāng) P+對(duì)P-進(jìn)行適當(dāng)?shù)呢?fù)載連接時(shí)，電池開(kāi)始放電，其電流方向如I2，電流從電池的正極經(jīng)負(fù)載、D2、MOS1到電池的負(fù)極，當(dāng)負(fù)載驟減時(shí) IC通過(guò) VM引腳采樣到突發(fā)性增加電流所產(chǎn)生的電壓時(shí)， IC采樣并發(fā)出指令，讓MOS1截止，回路斷開(kāi)電池。

短路保護(hù)：

當(dāng) P+對(duì)P-上接負(fù)載后，電池開(kāi)始放電電流方向，如I2，電流從電池的正極經(jīng)負(fù)載、D2、MOS1進(jìn)入電池的負(fù)極， IC通過(guò) VM引腳采集突發(fā)性增加電流而產(chǎn)生的電壓，然后 IC采樣并發(fā)出指令，讓MOS1截止，回路斷開(kāi)鋰電池。

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3.鋰電池保護(hù)芯片的分類(lèi)

鋰電池保護(hù)芯片可以根據(jù)其保護(hù)功能和適用范圍進(jìn)行分類(lèi)。常見(jiàn)的分類(lèi)包括：

單節(jié)電池保護(hù)芯片：適用于單個(gè)鋰電池的保護(hù)，提供過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流和短路等基本保護(hù)功能。

多串電池保護(hù)芯片：適用于多個(gè)鋰電池串聯(lián)組成的電池組，能夠獨(dú)立檢測(cè)每節(jié)電池的電壓，并提供過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路以及均衡充電等保護(hù)功能。

高精度保護(hù)芯片：具有更高的電壓和電流檢測(cè)精度，適用于對(duì)電池性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

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4.鋰電池保護(hù)IC的功能

鋰電池除了過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)與短路保護(hù)功能等鋰電的保護(hù)IC功能外，還有其他的保護(hù)IC的新功能。

過(guò)度充電保護(hù)的高精密度化

當(dāng)鋰離子電池處于過(guò)度充電狀態(tài)時(shí)，為了防止溫度升高引起的內(nèi)壓升高，必須停止充電狀態(tài)。保護(hù)IC將檢測(cè)電池電壓。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)度充電時(shí)，過(guò)度充電檢測(cè)的功率MOSFET將切斷并停止充電。此時(shí)，應(yīng)注意過(guò)度充電檢測(cè)電壓的高精度化。當(dāng)電池充電時(shí)，用戶(hù)非常關(guān)心將電池充電到飽滿(mǎn)狀態(tài)，并考慮到安全問(wèn)題。因此，當(dāng)達(dá)到允許電壓時(shí)，需要停止充電狀態(tài)。為了同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)條件，必須有高精度的探測(cè)器。目前，探測(cè)器的精度為25mV，需要進(jìn)一步提高。

降低保護(hù)IC的耗電

隨著使用時(shí)間的增加，充電鋰電池的電壓會(huì)逐漸降低，最終低于規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)值。此時(shí)，需要再次充電。如果繼續(xù)使用而不充電，電池可能會(huì)因過(guò)度放電而無(wú)法繼續(xù)使用。為了防止過(guò)度放電，必須檢測(cè)電池電壓以保護(hù)IC。一旦達(dá)到過(guò)度放電檢測(cè)電壓以下，必須切斷放電方的功率MOSFET并切斷放電。但此時(shí)，電池本身仍有自然放電和IC保護(hù)的消耗電流，因此有必要將IC保護(hù)消耗的電流降到最低。

過(guò)電流/短路保護(hù)需有低檢測(cè)電壓及高精密度的要求

因不明原因?qū)е露搪窌r(shí)，必須立即停止放電。過(guò)電流檢測(cè)以功率MOSFET的Rds(on)為感應(yīng)阻抗，以監(jiān)測(cè)其電壓的下降。此時(shí)，如果電壓高于過(guò)電流檢測(cè)電壓，則停止放電。為了使功率MOSFET的Rds(on)在充電電流和放電電流中得到有效應(yīng)用，阻抗值應(yīng)盡可能低。目前阻抗約為20mΩ——30mΩ，過(guò)電流檢測(cè)電壓較低。

耐高電壓

由于鋰電池組在充電過(guò)程中瞬間產(chǎn)生高壓，所以保護(hù) IC應(yīng)滿(mǎn)足耐高壓要求。

低電池功耗

在保護(hù)狀態(tài)時(shí)，其靜態(tài)耗電流必須要小0.1μA.

零伏可充電

一些鋰電池在貯存過(guò)程中由于放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或異常等原因，會(huì)使電壓降至0 V，因此需要保護(hù) IC在0 V時(shí)也可實(shí)現(xiàn)充電。

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5.鋰電池保護(hù)芯片的選型參數(shù)

在選型鋰電池保護(hù)芯片時(shí)，需要考慮以下參數(shù)：

保護(hù)功能：包括過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)等。

檢測(cè)精度：電壓和電流的檢測(cè)精度直接影響保護(hù)效果。

封裝形式：根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和空間限制選擇合適的封裝形式。

待機(jī)電流：低待機(jī)電流有助于延長(zhǎng)電池壽命。

溫度范圍：保護(hù)芯片的工作溫度范圍應(yīng)與電池的工作溫度范圍相匹配。

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6.鋰電池保護(hù)芯片的使用注意事項(xiàng)

在使用鋰電池保護(hù)芯片時(shí)，需要注意以下事項(xiàng)：

正確連接：確保保護(hù)芯片與電池、充電器和負(fù)載之間的連接正確無(wú)誤。

參數(shù)設(shè)置：根據(jù)電池規(guī)格和應(yīng)用需求正確設(shè)置保護(hù)芯片的過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流和短路等保護(hù)閾值。

散熱處理：對(duì)于大功率應(yīng)用，需要考慮保護(hù)芯片的散熱問(wèn)題，避免過(guò)熱導(dǎo)致性能下降或損壞。

定期檢查：定期檢查保護(hù)芯片的工作狀態(tài)，確保其能夠正常發(fā)揮保護(hù)作用。

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7.鋰電池保護(hù)芯片的廠商

目前市場(chǎng)上有多家廠商生產(chǎn)鋰電池保護(hù)芯片，其中一些知名廠商包括：

創(chuàng)芯微：專(zhuān)注于電池管理技術(shù)領(lǐng)域，推出了多款具有獨(dú)特功能和特性的BMS鋰電保護(hù)芯片。

南芯科技：國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的模擬和嵌入式芯片設(shè)計(jì)企業(yè)之一，擁有多條產(chǎn)品線(xiàn)，包括鋰電保護(hù)芯片。

矽力杰：推出了多款內(nèi)置均衡功能的多串鋰電池保護(hù)芯片，滿(mǎn)足電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)等系統(tǒng)應(yīng)用。

杰華特：支持多串鋰電池的二次保護(hù)芯片，具備高精度電壓檢測(cè)電路和多種保護(hù)功能。

這些廠商不斷推出新產(chǎn)品，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)鋰電池保護(hù)芯片的需求。

供應(yīng)商A：西安華泰半導(dǎo)體科技有限公司

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊(cè)

（2）主推型號(hào)1：HTL6081BSZ

以及對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

硬件參考設(shè)計(jì)

核心料（哪些項(xiàng)目在用）

奇跡物聯(lián)鴿子定位器項(xiàng)目電池充電管理

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

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審核編輯 黃宇