วิเคราะห์ป้องกันหลักการชาร์จและคายประจุของแบตลิเธียม

โดยทั่วไปอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมจะคำนวณตามจำนวนการชาร์จและการคายประจุ การชาร์จหนึ่งครั้งและการคายประจุหนึ่งครั้งถือเป็นหนึ่งรอบ หลังจากใช้แบตเตอรี่เป็นเวลานาน อายุการใช้งานของแบตเตอรี่จะค่อยๆ ลดลงเนื่องจากความเสียหายที่เกิดจากกระบวนการชาร์จและการคายประจุ บทความนี้จะแนะนำความแตกต่างระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน โหมดการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เส้นโค้งการคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียม วงจรป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ฯลฯ

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคืออะไร

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นเซลล์ทุติยภูมิ (แบตเตอรี่ชนิดประจุไฟฟ้าใหม่ได้) ซึ่งอาศัยการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วลบเป็นหลักในการทำงาน ในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุ Li+ จะถูก intercalated และ deintercalated ไปมาระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสอง ในระหว่างการชาร์จ Li+ จะถูก deintercalated จากอิเล็กโทรดบวกและฝังอยู่ในอิเล็กโทรดลบผ่านอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรดลบอยู่ในสถานะที่อุดมด้วยลิเธียม ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นจริงระหว่างการคายประจุ

ช่วงแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือ 2.8V~4.2V โดยมีแรงดันไฟฟ้าทั่วไปอยู่ที่ 3.7V หากต่ำกว่า 2.8V หรือสูงกว่า 4.2V แบตเตอรี่จะเสียหาย

ความแตกต่างระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแนวคิดที่แตกต่างกัน 2 แบบ ความแตกต่างที่สำคัญมีดังนี้

• วัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมคือแมงกานีสไดออกไซด์หรือไทโอนิลคลอไรด์ และวัสดุขั้วลบคือลิเธียม
• แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน คือ แบตเตอรี่ลิเธียมที่ใช้สารประกอบที่มีลิเธียมเป็นขั้วบวก ในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุ ไม่มีลิเธียมโลหะ มีเพียงลิเธียมไอออนเท่านั้น
• แบตเตอรี่ลิเธียมเรียกอีกอย่างว่าแบตเตอรี่ลิเธียมหลักซึ่งสามารถคายประจุได้อย่างต่อเนื่องหรือเป็นระยะ ๆ เมื่อพลังงานหมดจะไม่สามารถใช้งานหรือชาร์จใหม่ได้
• แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเรียกอีกอย่างว่าเซลล์ทุติยภูมิและสามารถชาร์จและคายประจุได้

โหมดการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

โหมดการชาร์จที่เหมาะสมที่สุดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเรียกว่าโหมด CCCV ซึ่งเป็นโหมดกระแสคงที่และแรงดันคงที่ เมื่อแรงดันแบตเตอรี่ต่ำแบตเตอรี่จะถูกชาร์จด้วยกระแสคงที่คงที่ เมื่อแรงดันแบตเตอรี่ถึง 4.2V แบตเตอรี่จะเปลี่ยนจากโหมดกระแสคงที่เป็นโหมดแรงดันคงที่ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ไม่ได้รับอนุญาตให้เกิน 4.2V ระบบจะค่อยๆ ลดกระแสการชาร์จลงจนใกล้ 0 เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เป็น 4.2V และกระแสไฟในการชาร์จเป็น 0 แสดงว่าแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้ว

ทำไมแรงดันที่ใช้ตัดการชาร์จของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถึง 4.2V ในระหว่างรอบแรกของแบตเตอรี่ การชาร์จด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเล็กน้อยจะส่งผลให้การชาร์จรอบเดียวสูงขึ้น แต่จะเป็นเพียงช่วงระยะเวลาสั้นๆ เท่านั้น

เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่แนะนำคือ 4.2V 50mV หรือ 100mV แบตเตอรี่จะเสื่อมสภาพเร็วขึ้นมาก เนื่องจากจะมีการชาร์จไฟเกินเล็กน้อยในแต่ละรอบ นั่นคือแรงดันที่ใช้ตัดการชาร์จของแบตเตอรี่สูงกว่า 4.2V ยิ่งแรงดันไฟฟ้าสูงวงจรอายุการใช้งานก็จะสั้นลงและความจุแบตเตอรี่ก็จะลดลงเร็วขึ้นเท่านั้น

เส้นโค้งการคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ยิ่งกระแสคายประจุมากเท่าใด ความจุของแบตเตอรี่จะลดลงเร็วขึ้นเท่านั้น ยิ่งความจุต่ำลง ความจุปกติของแบตเตอรี่ก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น เมื่อความจุของแบตเตอรี่ลดลง ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย เมื่อคายประจุด้วยกระแสไฟฟ้าที่มากขึ้น ความต้านทานภายในจะเพิ่มขึ้นเร็วขึ้น

วงจรป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียม

ฟังก์ชั่นวงจรป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียม: การป้องกันการคายประจุเกิน, การป้องกันการชาร์จเกิน, การป้องกันกระแสเกิน, การป้องกันการลัดวงจรและฟังก์ชั่นการชาร์จแบตเตอรี่ 0V

องค์ประกอบวงจรป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียม

แผงป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไปประกอบด้วย IC ควบคุม, หลอด MOS, ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ, ฟิวส์ ฯลฯ TH คือการตรวจจับอุณหภูมิ ภายใน 10KNTC เชื่อมต่อกับขั้วลบของแบตเตอรี่ ID คือการตรวจจับว่ามีแบตเตอรี่ โดยปกติแล้วตัวต้านทาน 47K/10K จะเชื่อมต่อกับขั้วลบของตัวต้านทาน บางตัวเป็นตัวต้านทาน 0R TH และ ID เป็นทางเลือก ไม่ใช่แบตเตอรี่ลิเธียมทั้งหมดที่มีอยู่บ้าง

หลักการทำงานของวงจรป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียม

การป้องกันการชาร์จไฟเกิน เมื่อแบตเตอรี่กำลังชาร์จ กระแส (ทิศทางตามลูกศรแสดง) จะไหลจากขั้วบวกของชุดแบตเตอรี่และไหลออกจากขั้วลบหลังจาก FUSE หลอด MOS ด้านล่างทั้งสองหลอดเป็นแบบสื่อกระแสไฟฟ้าทั้งคู่

เมื่อทำการชาร์จ ไอซีควบคุมจะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าระหว่างพิน 5 VDD และพิน 6 VSS เสมอ เมื่อแรงดันไฟฟ้านี้มากกว่าหรือเท่ากับแรงดันตัดไฟเกินและตรงกับเวลาหน่วงของแรงดันไฟเกิน ไอซีควบคุมจะควบคุม ขา 3 โดยการปิดทรานซิสเตอร์ MOS Q2 หลังจากปิด Q2 วงจรการชาร์จจะถูกตัด (ไดโอดตัว D2 ของ Q2 ก็ตัดกลับด้านด้วย) ขณะนี้แบตเตอรี่จะคายประจุได้เท่านั้น

เงื่อนไขในการปล่อยการป้องกันการชาร์จไฟเกิน (ต้องปฏิบัติตามข้อใดข้อหนึ่ง)

• แรงดันไฟฟ้าทั่วเซลล์ลดลงจนถึงแรงดันไฟฟ้าการกู้คืนเกินของไอซีป้องกัน
• เพิ่มโหลดที่ปลายเอาต์พุตของชุดแบตเตอรี่และคายประจุจนกว่าแรงดันไฟฟ้าจะน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าป้องกันการชาร์จไฟเกิน

การป้องกันการคายประจุเกิน

เมื่อทำการคายประจุโดยมีโหลดที่ปลายทั้งสองด้านของก้อนแบตเตอรี่ กระแสไฟฟ้า (ทิศทางตามลูกศรแสดง) จะตรงข้ามกับการชาร์จ ในระหว่างการคายประจุ ไอซีควบคุมจะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าระหว่างพิน 5 VDD และพิน 6 VSS เสมอ เมื่อ แรงดันไฟฟ้านี้ หากเวลาหน่วงน้อยกว่าหรือเท่ากับแรงดันไฟฟ้าตัดการคายประจุเกินและถึงแรงดันไฟฟ้าเกินคายประจุ IC ควบคุมจะปิด Q1 ผ่านพิน 1 หลังจากปิด Q1 วงจรคายประจุจะถูกตัด ปิด (ไดโอดตัว D1 ของ Q1 เป็นแบบตัดกลับ) ในเวลานี้ สามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้เท่านั้น

เงื่อนไขในการปล่อยการป้องกันการคายประจุเกิน

ถอดโหลดออกและชาร์จแพ็คแบตเตอรี่ลิเธียม เมื่อแรงดันไฟฟ้าระหว่าง VM และ VDD ถึงค่าแรงดันไฟฟ้าการกู้คืนเกินดิสชาร์จ IC ควบคุมจะเปิดหลอด MOS Q1 อีกครั้ง

การป้องกันกระแสเกิน / ป้องกันการลัดวงจร

เงื่อนไขในการปล่อยการป้องกันกระแสเกินคือ ลบโหลดเอาท์พุตออกและ IC ควบคุมจะเปิด Q1 อีกครั้งโดยอัตโนมัติ

ค่าแรงดันไฟฟ้าของการป้องกันกระแสเกินโดยทั่วไปคือ 0.1~0.2V และค่าแรงดันไฟฟ้าของการตรวจจับการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรโดยทั่วไปคือ 0.9V~2V ค่าทั้งสองเกี่ยวข้องกับ IC ควบคุม IC ที่แตกต่างกันมีค่าที่แตกต่างกัน

ค่าแรงดันไฟฟ้าป้องกันการลัดวงจรหมายถึงแรงดันการนำไฟฟ้าที่ลดลงของกระแสที่ไหลผ่าน Q1 และ Q2 หากความต้านทานภายในการนำไฟฟ้าของหลอด MOS มีขนาดใหญ่ขึ้นค่ากระแสการป้องกันจะน้อยลง

ฟังก์ชั่นการชาร์จ 0V

ฟังก์ชันนี้ใช้เพื่อชาร์จแบตเตอรี่ที่คายประจุเองได้ถึง 0V เมื่อแรงดันไฟฟ้าของเครื่องชาร์จที่เชื่อมต่อระหว่างขั้วบวกของแบตเตอรี่ (P+) และขั้วลบของแบตเตอรี่ (P-) สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นของเครื่องชาร์จสำหรับการชาร์จแบตเตอรี่ 0V ประตูของ MOSFET ควบคุมการชาร์จจะถูกกำหนดไว้ที่ศักยภาพของ เทอร์มินัล VDD เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของเครื่องชาร์จทำให้แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันระหว่างเกตและแหล่งที่มาของ MOSFET สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่เปิดอยู่ MOSFET ควบคุมการชาร์จจึงเปิดอยู่ (เทอร์มินัล CO เปิดอยู่) และเริ่มการชาร์จ

ในเวลานี้ MOSFET ควบคุมการคายประจุยังคงปิดอยู่ และกระแสการชาร์จจะไหลผ่านไดโอดปรสิตภายใน เมื่อแรงดันแบตเตอรี่สูงกว่าแรงดันตรวจจับการคายประจุเกิน IC จะเข้าสู่สถานะการทำงานปกติ