Lithium-Ion beskyttelseskredsløb – BMS (Battery Management System)

I brugen af lithium-ion-batterier spiller overopladning, overafladning og overstrøm en afgørende rolle i at påvirke levetiden og præstationen af ​​disse batterier. Hvert lithium-ion-batteri er udstyret med et integreret beskyttelsessystem, der konstant overvåger og effektivt forhindrer skader på batteriet. Dette beskyttelsessystem består af to felt-effekt transistorer, et kontrolintegreret kredsløb og forskellige modstands- og kapacitetselementer.

På grund af den høje energitæthed i lithium-ion-batterier er sikkerhed en central bekymring. Overopladning kan føre til overskud af energi, hvilket under stigende temperatur kan resultere i elektrolytisk nedbrydning og gasdannelse, potentielt forårsage spontan forbrænding eller eksplosion på grund af stigende indre tryk. På den anden side kan overafladning medføre elektrolytisk nedbrydning og en forringelse af batteriets egenskaber, hvilket reducerer antallet af gange, det kan genoplades samt batteriet evne til at holde strøm. overafladning vil oftest føre til at batteriet bliver varmt under opladning og at batteriet hurtigt taber strøm uden at være tilkoblet elektronisk udstyr.

Det maksimale spændingsniveau for et enkeltcellet lithiumbatteri er 4,2 V, og det må ikke overoplades, da det kan medføre tab af for mange lithium-ioner i den positive elektrode og forårsage, at batteriet skal kasseres. Derfor kræver opladning af et lithium-ion-batteri en dedikeret konstantstrøms- og konstantspændingsoplader. Opladningen begynder med konstant strøm, indtil batterispændingen når 4,2 V i begge ender, hvorefter den skifter til konstant spændingstilstand. Opladningen bør stoppe, når den konstante spændingsopladningsstrøm når 100 mA.

Opladningsmetoden for lithium-ion-batterier involverer konstant strøm og konstant spænding. Oprindeligt anvendes konstant strøm, og som opladningen skrider frem, øges spændingen gradvist til 4,2 V (eller 4,1 V, afhængigt af katodematerialet). Under opladningen er det afgørende, at opladerkredsløbet fungerer korrekt, da en fortsat stigning i spændingen over 4,3 V kan forårsage kemisk degradering af batteriet og føre til skader eller sikkerhedsproblemer.

For at sikre sikkerheden i overopladnings- og overafladningssituationer og for at forhindre forringelse af batteriets egenskaber, anvendes et beskyttelseskredsløb for lithium-ion-batterier. Dette kredsløb består af et beskyttelses-IC og to strøm-MOSFET’er. Beskyttelses-IC’en overvåger batterispændingen og aktiverer en ekstern strøm-MOSFET for at beskytte batteriet i tilfælde af overopladning eller overafladning. Dens funktioner omfatter opladningsbeskyttelse, overafladningsbeskyttelse og overstrøm-/kortslutningsbeskyttelse.

På grund af lithiumbatteriernes interne struktur kan ikke alle lithiumioner bevæge sig til den positive elektrode under afladning. Nogle lithiumioner skal forblive i den negative elektrode for at sikre, at de kan indsættes jævnt under den næste opladning og for at bevare batteriets levetid. Dette kræver nøje kontrol af den minimale afladningsspænding for at forhindre overafladning.

Selvom producenter af mobiltelefoner og andre enheder arbejder på at integrere forskellige kredsløb i en enkelt chip, såsom beskyttelses-IC’er, opladningskredsløb, strømstyrings-IC’er og logik-IC’er, er integrationen af åbne kredsløb, der styrer strømmen via MOSFET’er, stadig en udfordrende opgave på grund af de teknologiske og økonomiske udfordringer. Dette betyder, at beskyttelse af individuelle komponenter stadig kræver tid og opmærksomhed