充電器保護機能

車にバッテリー充電器を使用する場合でも、他の目的でバッテリーを使用する場合でも、バッテリーを保護する方法を理解することが重要です。 これには、過充電の原因の認識、熱暴走の回避方法などが含まれます。

過電流保護はすべての電気回路の重要な部分です。 過電流や地絡から機器を保護します。

過電流デバイスは、保護を提供するだけでなく、過充電状況を診断するために使用することもできます。 サーキットブレーカー、ヒューズ、およびヒュージブルリンクは、最も一般的な過電流保護デバイスです。 これらのデバイスは、保護する回路と直列に接続されています。

ヒューズと回路ブレーカーは、電流が事前に設定されたしきい値を超えたときに回路を遮断するように設計されています。 これらは一般的に低電圧システムで使用されます。 ヒューズは、絶縁体に包まれた 2 本のワイヤまたはストリップで構成されます。 融着ストリップの溶けた接続部がアークを発生して溶ける可能性があります。

ヒューズとサーキットブレーカーは、ほぼすべての電子製品に組み込まれています。 これらは、人員、導体、機器を過電流や短絡から保護するために使用されます。 回路が機能しない場合、ヒューズが切れ、デバイスは動作不能になります。

バッテリーは過電流と過電圧から保護する必要があります。 過充電および過電圧状態は、バッテリーの故障、爆発、有毒ガスを引き起こす可能性があります。 特にリチウムイオン電池は監視し、保護する必要があります。

バッテリ充電回路は、電源の過負荷、負荷の不整合、充電回路が許容値を超える電流を消費するなどの問題に対して脆弱です。 これらの危険からバッテリーと機器を保護するために、バッテリーパックには過電流保護機能が含まれている必要があります。

リチウムポリマーバッテリーパックには通常、過充電と過放電を防ぐように設計された保護回路が装備されています。 ただし、悪用される可能性もあります。 リチウムポリマーバッテリーをその容量を超えて充電すると、熱暴走やその他の安全上の懸念が生じる可能性があります。 理想的には、バッテリーの過電流充電保護電流の 1.5 倍を超えてバッテリーを充電しないでください。

バッテリーパックの過電流保護機能のテストには、過電流および過電圧状態に対する回路の応答をチェックすることが含まれます。 これらのテストは実験室で実施する必要があります。

過電流充電保護機能は、DC 電源を使用してテストされます。 データは充電停止後 1 時間収集されます。 この間、バッテリーの温度と SOC レベルが測定されます。 SOC レベルが 130% 以上に達すると、テストは終了します。 これにより、過電流および過電圧に対するバッテリーの能力をより正確に評価できます。

過放電保護はリチウムイオン充電器の安全機能の一つです。 リチウム電池の電圧が特定のしきい値を下回ると発生します。 電圧がこのしきい値を下回るレベルに達すると、バッテリーの充電が停止します。 バッテリーは最終的には火災の危険性があります。

過放電保護は過充電保護スイッチの形で実装されています。 スイッチは、電池のプラス側と電池の出力端子との間に直列に接続される。

このスイッチには、バッテリ電圧が特定の最小設定値に達したときにスイッチをオンおよびオフにする制御回路が付属しています。 FET が早期にオフになるのを防ぐための遅延回路も含まれています。

過充電保護スイッチに加えて、バッテリー電圧を監視する電圧検出回路もあります。 この回路は 3 端子の集積回路 (IC) コントローラーで構成されます。 図2に示すように、このICはセル電圧が過放電閾値を下回ると出力電圧を遮断することで過放電保護スイッチを制御します。

この回路には、逆電流に対して FET をオン状態に維持するための寄生ダイオードも組み込まれています。 これは、FET のゲートの電圧の上昇に少量の時間を追加するコンデンサ C21 によって補完されます。

過放電保護スイッチがオフになると、スイッチの出力側の電圧が充電終端の電圧まで上昇します。 サーマルサーキットブレーカーはバッテリー入力を無効にするためにも使用されます。

前述のもう 1 つのコンポーネントは、過熱保護機能です。 このデバイスは過放電保護機能ほど高度ではありません。

過放電保護機能の代替設計としては、マイクロコントローラーがバッテリーの温度を読み取り、出力を無効にするというものがあります。 ただし、このオプションには多くのプログラミングが必要であり、一部のアプリケーションでは実用的ではない場合があります。

それにもかかわらず、特定の用途に合わせてカスタマイズできる便利な過放電保護オプションがいくつかあります。 たとえば、マルチセルのリチウムイオンバッテリ充電器では、バッテリパック内のすべてのセルを監視するように過放電検出メカニズムを設定できます。

バッテリ充電器の過熱保護機能は、バッテリ電源管理システムのパフォーマンスと信頼性にとって重要です。 過熱状態は安全上の問題であるだけでなく、バ​​ッテリーの寿命にも悪影響を与える可能性があります。 熱暴走の発生を防ぐために、温度が実行不可能なレベルに達する前にバッテリーをシャットダウンする必要があります。

バッテリー保護スキームは通常、2 つのレベルの保護を提供します。 1 つは温度ヒューズで、もう 1 つは温度シャットダウン機能です。

温度ヒューズは、蓄電池の温度が所定のしきい値を超えた場合に、充電器のスイッチを自動的にオフにする装置です。 バッテリー充電器のその他の機能には、過電圧保護や逆極性保護などがあります。

サーマルシャットダウン機能を備えたバッテリー充電器は他にもあります。 ただし、これらのデバイスは標準の充電器に組み込むには高価すぎるため、熱によるシャットダウンを避けるために慎重な設計が必要です。 代わりに、NTC サーミスタを専用の接続ピンに接続することで、サーマル シャットダウン機能を実装できます。 電圧検出回路はサーミスタの抵抗を監視して、温度がバッテリーを停止するのに十分な高さであるかどうかを判断します。

バッテリーには広い温度範囲があります。 蓄電池と充電器の温度差が大きい場合があります。 この違いにより、過充電または過充電が発生する可能性があります。 これらはどちらもバッテリーの損傷につながる可能性があります。

温度ヒューズに加えて、充電器には電圧レギュレータを含めることができます。 これにより、充電器はバッテリーに流れる電流を最大許容値以下に保ちながら、一定の電圧を維持できます。

バッテリー充電器には通常、急速な熱放散を特徴とする特許取得済みのプラスチック プロファイル設計が組み込まれています。 インジケーターライト、充電率表示、6つの保護機能も内蔵しています。

バッテリーにはサーミスターを組み込んで、始動環境がバッテリーが充電を吸収するには熱すぎるかどうかを判断することもできます。 この温度測定は、回路を監視し、冷却ファンをオンにしたり、充電を遮断したりするアクションをトリガーするのに役立ちます。

バッテリー技術と蓄電池の化学的性質に応じて、いくつかの異なる保護機能があります。 バッテリーの電源管理システムの一部として実装されるものもあれば、充電器自体に統合されるものもあります。

熱暴走はバッテリーで発生する可能性のある危険な状態です。 バッテリー内の電解液が過熱し、消火不能な火災が発生する可能性があります。 この状態は、内部短絡または外部短絡の結果である可能性があります。 幸いなことに、バッテリー充電器には熱暴走に対する保護機能が組み込まれています。

システムがバッテリーの充電を開始すると、まずバッテリー電圧の監視を開始します。 電圧が上昇しない場合、システムはバッテリーが熱暴走モードにあるとみなします。 その後、バッテリーが所定の充電電圧になるまで充電電流が増加します。

充電電流が所定のレベルに達すると、システムは充電速度の低下を開始します。 これにより、充電電流がバッテリーにとって安全な量まで減少します。 電流レベルが特定のしきい値に達すると、バッテリーは完全に充電されます。

熱暴走の可能性を防ぐために、バッテリー充電器は充電電流の電圧とデューティサイクルを監視します。 充電特性に偏差がある場合、システムはその異常を問題として扱い、充電率を下げます。

バッテリー充電器のソフトウェアはバッテリーの充電パラメータも監視します。 バッテリー電圧が事前設定値に達すると、熱暴走状態があるかどうかがチェックされます。

定電流モードでは、デューティ サイクルは 3 つまたは 4 つの連続する値ごとにチェックされます。 デューティ サイクルが減少すると、di/dt カウンタが減少し、DTlimit が増加します。

定電圧動作モードでは、di/dt カウンタは公称値に設定されます。 電圧曲線は正の傾きを持ちます。 電圧が上昇せず、di/dt カウンタが負の値に達した場合、熱暴走状態が考えられます。

定電圧バッテリ充電器では、デューティ サイクルが一定の間隔でチェックされます。 事前に設定された時間になると、システムは充電電流を減らし、デューティ サイクルが減少したかどうかを再度チェックします。

リチウム電池では熱暴走が発生する可能性があります。 これらは非常に効率的なエネルギー貯蔵デバイスですが、暖かい環境に放置すると容量が減少する可能性があります。 さらに、水酸化リチウムにさらされると発火することが知られています。 このため、リチウムイオン電池は、電池にとって安全な温度で保管する必要があります。

バッテリ充電器の出力過電圧保護は、バッテリに流入する電流が所定の制限内に留まるようにする機能です。 これは、爆発を引き起こす可能性のある誤動作を回避するために、充電回路が一定時間出力を遮断できることを意味します。

バッテリーは非常に敏感なため、充電回路が故障すると爆発を引き起こす可能性があります。 幸いなことに、これを防ぐ方法はいくつかあります。 まず、バッテリーを一定の速度で充電する必要があります。 速度はバッテリーの化学的性質と、どれだけ消耗したかによって異なります。 次に、回路は異常な動作条件に耐えられるように設計する必要があります。

一般的なバッテリー管理システムは、バッテリー監視ブロックと過電圧保護回路で構成されています。 保護メカニズムは、充電プロセス中の損傷や電源の問題からバッテリーを保護します。 充電回路と統合することも、バッテリー管理システムの一部として実装することもできます。 通常、このタイプのバッテリ充電器はリニア レギュレータ設計を使用しており、電流をバッテリ端子電圧エンベロープの範囲内に維持することを目的としています。

もう 1 つのオプションは、連続制御機能と制限制御機能を統合したバッテリー管理システムです。 これにより、負荷が USB 電流制限を超えた場合に充電電流をスケールバックすることができます。 また、安定化された 3.3V 出力電源を使用して、アクティブ LOW の低電圧検出信号を提供することもできます。

過電圧保護のもう 1 つのオプションはコンパレータ回路です。 マイクロコントローラーのコードで比較演算子を使用すると、印加電圧が最大許容電圧よりも低いことを確認できます。 INA300 23 電流検出コンパレータの消費電力は最大 1mA をはるかに下回ります。

理想ダイオード機能を使用して、出力電圧が指定レベルを下回ったときに充電プロセスを一時停止することもできます。 この場合、理想ダイオードは、2 番目の外部 PFET を OUT と BAT の間に接続できる高性能ダイオードです。 OUT 電圧が BAT 電圧を下回ると、理想ダイオードがアクティブになります。

一部のバッテリーの化学的性質は、印加電圧に非常に敏感です。 たとえば、リチウムイオン充電式バッテリーは、わずか 1 ℃で充電できるように設計されています。 端子電圧がこのレベルを下回ると、充電回路を切断する必要があります。 同様に、他の化学薬品では非常に小さなフロート電圧が期待されます。 ただし、電圧が下がりすぎると自己放電率が増加します。 これらの化学反応では、端子電圧に達したときに充電回路を切断する必要もあります。

規制されていない AC/DC アダプタを使用すると、他の問題が発生する可能性があります。 航空機、ガラスパネル、さらには充電用 IC を含む多くの電子機器は、規制されていない電源に接続すると損傷を受ける可能性があります。

解決策の 1 つは、スイッチモード電源を使用することです。 これらのタイプの電源装置では、スイッチを使用して電圧を監視します。 電圧の上昇が速すぎる場合、スイッチは電圧を再チェックします。 ただし、電源に障害がある場合、スイッチング電源が損傷する可能性があります。

バッテリ充電器の入力不足電圧および過電圧保護

バッテリ充電器の入力不足電圧および過電圧保護は、さまざまなアプリケーションにとって重要な機能です。 入力電圧が特定のしきい値を超えると、充電器 IC は電源供給を無効にします。 これにより、負荷、デバイス、またはシステム マイクロコントローラーを損傷から保護できます。 充電器 IC の設計によっては、温度しきい値も実装される場合があります。

過電圧保護は、不足電圧保護ほど一般的ではありません。 ただし、場合によっては回路の誤動作を引き起こす可能性があります。 この種の保護は慎重に実装することをお勧めします。 バッテリーの充電電流と温度、バッテリー電圧を維持するために必要な電力量、使用されているデバイスの種類など、考慮すべき要素が多数あります。 理想的には、充電器 IC は過電圧状況に対する構成可能な応答を実装します。 充電器 IC は、その動作範囲を調整できる必要もあります。

不足電圧保護は、多くの場合、過電圧保護よりも複雑ではありません。 ほとんどのデザイナーは、デザインのこの側面にまったく関心を持っていません。 むしろ、彼らはプロジェクトの他の側面に焦点を当てています。 ほとんどの場合、不足電圧状態では損傷は発生しません。 ただし、条件によってはさらに注意が必要な場合があります。

不足電圧保護を実装するには、電源の両端に回路を配置します。 そこでタイマーが使われます。 このタイマーは、バッテリーが設定されたしきい値を下回ると、自動的に負荷を切断します。 回路がシンプルで実装が簡単です。 タイマーは、さまざまな電圧値に対応するように調整できます。

別のオプションは、クローバー回路を使用することです。 バール回路はドロップバールに似ています。 ただし、バールでは電源が損傷する可能性は考慮されていません。 むしろ、バールの機能は、過電圧状況の発生を防ぐことです。

一般に、バッテリ充電器の過電圧保護機能は JEITA バッテリ規格に基づいています。 その結果、バッテリーパックのメーカーは、さまざまな充電電流レベルに対して指定されたしきい値を持っています。 たとえば、充電器 IC は、最小入力電圧を 4.5V、最大入力電圧を 20V、不足電圧しきい値を 3V に設定できる場合があります。

その他の過電圧保護機能には、温度調整やバッテリ不足の検出などがあります。 充電器 IC は、充電電流を調整することで過熱を防ぐこともできます。 これらの安全機能により、充電中にバッテリーが損傷することはありません。

充電器 IC には、降圧、昇圧、昇降圧充電器など、いくつかの種類があります。 バックブースト充電器を使用すると、最大充電電流を特定のしきい値に制限しながら、連続充電が可能になります。 降圧充電器と昇圧充電器はどちらも、降圧充電器よりも動作電圧が高くなります。 したがって、より大きな IC パッケージが必要になります。 ポータブルアプリケーションで使用できます。

一部の充電器 IC には I2C インターフェイスが統合されています。 これにより、デバイスはさまざまな安全機能を簡単に設定できるようになります。 そのような機能の 1 つがウォッチドッグ タイマーです。 充電プロセス中、MCU は定期的にタイマーをリセットする必要があります。 タイマーが動作しない場合、システム マイクロコントローラーは応答できなくなります。

別のタイプのバッテリ充電器 IC はスイッチング充電器です。 一般に、スイッチング充電器はより効率的で、より高い電流を処理できます。 このタイプの充電器は高価になる可能性がありますが、用途によってはより便利な選択肢になることもあります。

バッテリー充電器の短絡回路および逆接続保護

逆極性のバッテリー接続は、バッテリーやポータブル電子機器に重大な損傷を引き起こす可能性があります。 火花や水素ガスが発生したり、バッテリーが完全に放電したりする可能性があります。 これらはすべて、健康や機器に危険を及ぼす可能性があります。 ここでは、バッテリーの逆接続を防止する方法と、その影響からバッテリー充電器を保護する方法を説明します。

バッテリーの逆極性接続を防ぐには、バッテリーのプラス端子をマイナス端子に接続することが重要です。 これはバッテリーが過熱しないようにするためです。 さらに、バッテリーのマイナス側からの電圧によってバッテリーが徐々に放電され、コンデンサで発生するのと同様の放電サイクルが発生します。

使用しているデバイスの種類によっては、バッテリー反転スイッチや機械的安全装置が必要になる場合があります。 これらには、極性コネクタまたは一方向コネクタが含まれます。 また、保護メガネやゴム手袋の着用が必要な場合があります。

バッテリーの逆流を防ぐもう 1 つの簡単な方法は、並列ダイオード回路を使用することです。 組み立てが簡単で、高出力インピーダンスのバッテリーを逆取り付けから保護できます。 ただし、大電流を処理できる必要があります。 チャージ ポンプは、負荷の保護に役立つ追加機能としても役立ちます。

逆極性のバッテリー接続は、電子がバッテリーのマイナス側からプラス側に引っ張られるため危険です。 これにより、バッテリーが放電し、バッテリーが焼損する可能性があります。 他のバッテリーと同様に、消耗が早くなり、寿命が短くなる可能性があります。 バッテリー反転スイッチを使用すると、バッテリー充電器とポータブル電子機器をバッテリーの逆接続の影響から保護できます。

逆方向バッテリーが接続されると、MP1 がそれ​​を検出します。 MP1 が接続を検出しない場合、MP2 プライマリ パス デバイスが無効になります。 バッテリの逆接続中、MN1 は大量の電力を生成します。 これにより、MP2 が非アクティブになり、MP1 が切り離されます。 同様に、バッテリーが接続されて MP2 が無効になっている場合、MP1 は充電器の動作を停止します。

もう 1 つのアプローチは、NMOS ベースの回路を使用することです。 NMOS は、ラッチ メモリ要素を使用して、リバース バッテリが接続されているかどうかを判断します。 この方法は PMOS ベースのアプローチよりも簡単ですが、常にバッテリーに接続できるわけではありません。 たとえそうなったとしても、MN1 のアクティブ化を妨げるほど高速であるとは限りません。

あるいは、PMOS 保護回路を試すこともできます。 この方法では、充電器がオフになっている間、バッテリーが一時的に充電器の出力に接続されます。 バッテリー端子からの電圧と充電器の出力からの電圧を比較することで、接続が永続的であるかどうかを判断できます。

最後に、外せなくなるほど熱くなる前に、MN1 をバッテリーから外すことが重要です。 これは迅速なプロセスではありませんが、非常に重要です。 このタスクを支援するために、いくつかの回路が開発されました。 最良の回路の 1 つは R3 と R4 です。 低電圧のリチウムイオン電池アプリケーションに最も効果的です。