浅谈笔记本电脑电池的保护电路

随着现代电子行业的迅猛烈发展,笔记本电脑因为其体积小,重量轻,便于携带等优点,已逐步替代台式电脑,走进了千家万户,成为现代人工作,学习,生活常用的现代化电子设备。2000年前笔记本电脑的电池,往往采用镍氢电池进行制造,但由于镍氢电池重量重,具有记忆效应,在使用的时候,其性能往往不尽人意,自从19世纪,90年代,发明了锂离子电池,并进行了商品化生产,锂离子电池的生产工艺不断改进,其电池的容量也不断增加,其中以松下,三洋等品牌的锂离子电池的性能比较优良,在出口的笔记本电脑的电池,多数采用这些品牌的单电池进行组装,制造成电池组。但锂离子电池在工作时,其内部进行的化学反应非常剧烈,也具有一定的危险性,所以一般,由锂离子电池制造加工成的笔记本电池,其保护控制部分,要比由镍氢电池加工成的笔记本电池要复杂的多。

1、锂离子电池的结构

锂离子电池的正极材料为氧化物,常见有氧化锰锂、氧化钴锂、氧化镍锂、磷酸铁锂等。锂离子电池的负极材料主要是石墨化碳材料,其导电剂为乙炔黑。其电解质,有碳酸脂和聚合物两种。锂离子电池的隔膜采用聚烯微孔隔膜,而且此隔膜在离子今昔功能交换的时候,保液能力好,强度高,抗氧化性能好。最后外壳由铝壳或塑壳组成。

2、笔记本电脑电池的参数要求

笔记本电脑电池,规定了充放电的一些基本电气性能,现以单节松下电池,型号为CGR18650,容量为2000mAH,9个单电池进行三并联再三串联加工制造成的笔记本电池组为例进行说明:

3、笔记本电池组的保护功能元件

在笔记本电脑的电池中,除了用有保护功能的电路板实现相应的保护功能外,还增加了有独立保护功能的电子元件,来实现保护功能。

3.1过流保护功能

一般在电池组的的负极输出端串联自恢复式热敏电阻polyswitch LR730,当电流流向负极的时候,在polyswitch上产生的温度为40℃,电流超过13A或是常温下超过16A,这个PTC元件就会在几十秒种内,由之前的低阻状态变为高阻状态,将电流限制到足够小的范围内,起到过流保护的作用。当过电流问题解除后,热敏电阻可以自行恢复到初始低电阻导通状态。

3.2过温保护功能

由于笔记本电脑电池充放电时是发热的,当负载短路或其它异常放电情况,而保护电路失效,在极短的时间内会产生很大的电流,使得电池内部温度急剧升高,在极短的时间内引发一系列的剧烈反映,此时是非常危险的,必须切断电流,在电池组中间串联一个温度保护器件温度保险丝Thermal fuse显得尤为重要,,把它用导热胶,紧贴在电池表面,感受电池的温度,当电池组发生异常,温度达到或超过98℃时,温度保险丝立即熔断,并且不可以恢复,从而起到最后一级保护。

4、笔记本电脑电池的保护电路

锂离子电池的安全性问题不仅与电池的材料本身性质有关,也与电池的制备技术和使用有关,如过充电,短路,热冲击和机械冲击等,对锂离子电池的安全性能产生影响,锂离子电池由于其化学性能剧烈,在加工成笔记本电池组时,会用一个比较完备的保护电路对其充电,放电过程予以保护。图3为以下部分参考电路。

4.1电路中的过充保护

笔记本电脑电池,在恒压模式下,一般经过3个小时左右的充电,就会达到充饱状态,如果这时不切断充电电源,继续充电,电池的电压会随着不断流入的充电电流而升高,虽然这时候的充电电流很小,但如果不切断充电电路,就会出现过充电现象,过充不仅仅会损坏电池,还可能发生由于电压过高,电池过热以致电池内部由于气体膨胀出现爆炸等危险。这时候具有保护功能的电路控制就显得非常重要了。一般具有保护功能的电路板,都会采用一些专门的电池保护芯片,如MM1414,S-8254,BQ29311,BQ29312等,我们以MITSUMI(日本美上美)的MM1414芯片为例,MM1414芯片,可以对多达4组电池的电压进行采样和监测,PIN15~PIN18为电池电压采样PIN,当采样到的单组电压超过4.35±0.25V,即整个电池组的电压超过12.7V时候,MM1414 PIN1 OV就会因过压由高电位转换为低电位,如果电路中接有P沟道的MOSFET场效应管,如SI4425,可以先将低电位信号输入到一个PNP三极管的基极,当PNP三极管饱和导通时,将集电级的高电位输入到负责充电的PMOSFET(充电时候,电流首先流过的MOSFET)的控制极栅极,使PMOS工作在截止区,充电电路断开,从而起到了过充保护功能。

4.2电路中的过放保护

笔记本电脑电池在放电的时候,当单节电池电压已经达到最低电压的限制2.3V,此时如果继续放电,虽然不会存什么危险,但是,过放电,会大大损坏电池的性能,一般的单个锂离子电池,在正常充放电的情况下,其寿命超过300个充放电循环,就是300个cy cle,随着不断的充放电循环,电池的容量也逐渐下降,以松下CGR18650(2000mAH)为例,按照正常的300个充放电循环后,电池的容量大概还会有926 mAH以上,比起电池的额定容量2000mAH减少了一半,如果电池过放电,使用的寿命就会大大的缩短。笔记本电池的过放电保护也是非常重要的,过放保护功能的实现,可以通过MM1414电池保护芯片的PIN5来实现,PIN5 DCHG为输出PIN,可以直接控制FET(P-CH)的控制极,如SI4425,正常状态为低电平状态,当MM1414电压输入信号端检测到每组电压低于2.3v, MM1414 PIN5输出高电位,可以直接跟使负责放电P沟道MOSFET管的栅极(放电时候,电流首先流过的MOSFET)相接,使放电MOSFET管关闭,使放电通路断开,使电池停止继续放电,起到了过放保护。其过放控制的检测死区时间可以通过PIN7 CDC这个输入接口,对地接一个电容来控制。

4.3电路中的过流保护

当笔记本电池的负载出现短路或其它的故障,电池会出现一个很大的电流进行放电,这个时候也是非常危险的状态,必须立即断开放电通路。过流检测通过MM1414 PIN3 CS接到放电MOS与充电MOS中间一个取样电阻上,来检测放电MOS源极和漏极的压降,当电流超过16A,PIN5 DCHG将输出高电平,将放电MOS关闭,停止放电。过流控制的检测死区时间,可以通过PIN8 COL这个输入接口,对地接一个电容来进行控制。

4.4 MOSFET管过温保护

电池在工作的时候,电流会流过电路中的两组MOSFET管,一般电路会接有四个MOSFET,每对MOSFET并联,分担流过的电流,由于工作过程中,MOSFET会发热甚至被击穿,一般会在电路的输出端串联一个139℃温度保险丝,用导热胶将温度保险丝固定在两对MOSFET的表面,当MOSFET管表面的温度超过139℃的时候,这时电路一般已经出现了严重的故障,电路中的保护功能已经失控,必须立即切断通路,这时串联在电路与负载之间的温度保险丝熔断,并且不可恢复,保护了整个笔记本电池的安全。

5、笔记本电池的保养

笔记本电脑最大的优势就是可以随身携带,随时随地都可以将笔记本电脑打开,这时候,你的笔记本电脑电池的性能就显的尤为重要,笔记本电池在使用过程中需要一定的保养和维护。

5.1要避免高温

笔记本电脑的电池,在经常处于高温的环境中,自己的容量会降低,如果笔记本电脑,长时间需要外接电源的话,建议将电池拔下,因为笔记本电脑在使用的时候是产生一定的高温的,电池在这种长时间的高温下,很容易受到损害,影响以后的放电性能。

5.2防止高压

在雷雨天的时候,要避免给笔记本电池充电,此外,在使用的时候,也要避免跟一些大功率的电器同用一个电源插座上使用,因为大功率的电器在开启或关闭的时候都会产生瞬间的高压,有可能会导致电池损坏。

5.3少插拔

笔记本电脑电池的外部连接器PIN脚插拔时容易磨损,最好不要经常频繁的进行插拔。

5.4笔记本电池的存储

笔记本电池长时间不用的话,可以将其充电50%左右,放置在凉爽,干燥处。笔记本电池在充饱的状态,或在高温的状态,其自放电会随着电池的容量和温度上升而增加,所以,不要把笔记本电池充饱后再存放。

5.5注意使用安全

跟其它的电池一样,笔记本电池都要避免接近火源,勿私自进行拆开修理,避免正负极短路,不能用尖锐的物体刺穿电池,存储时避免潮湿和高温等。

6、结束语

随着电子技术的发展,笔记本电池的保护功能也逐渐升级,为消费者提供功能越来越强,安全性能越来越高的产品也是笔记本电脑电池开发所追求的最终目标。

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