三／四節(jié)串聯(lián)鋰電池保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋰離子可充電電池是20世紀(jì)開(kāi)發(fā)成功的新型高能電池，相對(duì)于傳統(tǒng)的鎳鎘電池和鎳氫電池而言，具有容量大、工作電壓高、工作溫度范圍寬、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中，如移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等，部分代替了傳統(tǒng)電池。單節(jié)鋰離子電池的電壓約為3．6V，容量也不可能無(wú)限大，因此，常將單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行串、并聯(lián)處理，以滿足不同場(chǎng)合的要求。為了確保鋰離子電池安全可靠的使用，本文介紹了一種嚴(yán)格、周密的充、放電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案采用充電、放電分離的控制方式，具有兩級(jí)單節(jié)過(guò)充電保護(hù)、單節(jié)過(guò)放電保護(hù)、兩級(jí)放電過(guò)電流保護(hù)、放電短路保護(hù)、放電溫度保護(hù)、充電溫度保護(hù)、充電防反接保護(hù)、充電時(shí)禁止放電等功能，可適用于各種三／四節(jié)鋰離子可充電電池串聯(lián)使用的場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)概述

該保護(hù)系統(tǒng)采用精工電子三／四節(jié)串聯(lián)鋰離子可充電電池專用充、放電保護(hù)IC S-8254構(gòu)建一級(jí)保護(hù)。S-8254系列內(nèi)置高精度電壓檢測(cè)電路和延遲電路，針對(duì)各節(jié)電池進(jìn)行高精度電壓檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)單節(jié)過(guò)充電保護(hù)和單節(jié)過(guò)放電保護(hù)，并具備三段過(guò)電流檢測(cè)功能，通過(guò)外接電容可設(shè)置過(guò)充電檢測(cè)延遲時(shí)間、過(guò)放電檢測(cè)延遲時(shí)間和過(guò)電流檢測(cè)延遲時(shí)間1(過(guò)電流檢測(cè)延遲時(shí)間2和過(guò)電流檢測(cè)延遲時(shí)間3在芯片內(nèi)部被固定)。該系統(tǒng)采用精工電子S-8244系列內(nèi)置高精度電壓檢測(cè)電路和延遲電路的鋰離子可充電電池二級(jí)保護(hù)專用IC實(shí)現(xiàn)電池的單節(jié)二級(jí)充電保護(hù)，其保護(hù)延遲時(shí)間可通過(guò)外接電容的容值來(lái)設(shè)置。

S-8254通過(guò)SEL端子可以實(shí)現(xiàn)電池三節(jié)串聯(lián)用或四節(jié)串聯(lián)用的切換；S-8244則通過(guò)電阻R22短路第四節(jié)電池電壓檢測(cè)端子VCC3和VSS即可用作三節(jié)電池串聯(lián)使用時(shí)的二級(jí)保護(hù)。

2 各保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

S-8254系列充、放電保護(hù)電壓和過(guò)電流檢測(cè)電壓以50 mV為進(jìn)階單位，S-8244系列過(guò)充電檢測(cè)電壓以5 mV為進(jìn)階單位，系統(tǒng)根據(jù)不同場(chǎng)合的使用需求，可以選擇相應(yīng)適合的型號(hào)?，F(xiàn)以圖1保護(hù)系統(tǒng)為例，采用S-8254AAVFT和S-8244AAPFN作為保護(hù)IC，具體說(shuō)明各保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2．1 過(guò)放電保護(hù)

通常狀態(tài)下，S-8254放電控制用端子DOP為VSS(電池4的負(fù)電壓)電位，放電MOS管QDISl，QDIS2處于導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)可正常進(jìn)行放電工作。當(dāng)檢測(cè)到某節(jié)電池電壓低于2．7 V(VDLn)，且這種狀態(tài)保持在TDL(TDL時(shí)間由過(guò)放電檢測(cè)延遲端子CDT外接電容CS決定)以上時(shí)，DOP端子的電壓變?yōu)閂DD(電池1的正電壓)電位，放電MOS管關(guān)閉，停止放電，這種狀態(tài)稱為過(guò)放電狀態(tài)。進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)后，VMP端子電壓經(jīng)電阻R3由負(fù)載下拉至VDD／2以下，S-8254轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)；斷開(kāi)負(fù)載后，VMP端子電壓經(jīng)電阻R9、充電MOS管QCHRl和QCHR2由VDD上拉至VDD／2以上且低于VDD，S-8254退出休眠狀態(tài)。當(dāng)所有電池電壓都在3．0 V(VDUn)以上時(shí)，過(guò)放電狀態(tài)被解除，系統(tǒng)恢復(fù)正常放電工作。

2．2 過(guò)電流、短路保護(hù)

該系統(tǒng)采用2個(gè)并聯(lián)的20 mΩ功率電阻RS1，RS2用于過(guò)電流檢測(cè)。當(dāng)放電電流大于20 A時(shí)，過(guò)電流1，2檢測(cè)端子VINI和VSS之間的電壓差大于過(guò)電流檢測(cè)電位1 VI0V1(O．2 V)，且這種狀態(tài)保持在TIOVl(TIOVl時(shí)間由過(guò)電流1檢測(cè)延遲端子CDT外接電容C3決定)以上時(shí)，DOP端子的電壓變?yōu)閂DD電位，放電MOS管關(guān)閉，停止放電，進(jìn)入過(guò)電流1保護(hù)狀態(tài)。在過(guò)電流狀態(tài)下，VMP端子電壓經(jīng)電阻R3由負(fù)載下拉至VSS；斷開(kāi)負(fù)載后，VMP端子電壓經(jīng)IC內(nèi)部RVMD電阻被上拉至過(guò)電流檢測(cè)電位3 VIOV3(電池1的正電壓VC1～1．2 V)以上，過(guò)電流狀態(tài)解除，系統(tǒng)恢復(fù)正常放電。當(dāng)放電電流大于50 A時(shí)，VINI和VSS之間的電壓差大于過(guò)電流檢測(cè)電位2 VIOV2(0．5 V)，且這種狀態(tài)保持在TIOV2(1 ms)以上時(shí)，進(jìn)入過(guò)電流2保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路時(shí)，過(guò)電流3檢測(cè)端子VMP的電壓被瞬間拉至VIOV3以下(檢測(cè)延遲時(shí)間TI0V3為300μs)，系統(tǒng)進(jìn)入短路保護(hù)(過(guò)電流3保護(hù))狀態(tài)。

2．3 過(guò)充電保護(hù)

為了確保電池的安全性，該系統(tǒng)對(duì)于過(guò)充電狀態(tài)采取了兩級(jí)保護(hù)措施。首先，當(dāng)檢測(cè)到某節(jié)電池電壓高于4．05 V(VCU2n)，且這種狀態(tài)保持在TCU2(TCU2時(shí)間由S-8244過(guò)充電檢測(cè)延遲端子ICT外接電容C16決定)以上時(shí)，S-8244充電控制用端子CO輸出動(dòng)態(tài)“H”，二級(jí)充電MOS管QCHR2關(guān)閉，停止充電，這種狀態(tài)稱為過(guò)充電狀態(tài)；進(jìn)入過(guò)充電狀態(tài)后，當(dāng)所有電池電壓都在3．80 V(VCL2n)以下時(shí)，過(guò)充電狀態(tài)解除。若因某種原因?qū)е耂-8244保護(hù)失效，則S-8254過(guò)充電保護(hù)生效，當(dāng)檢測(cè)到某節(jié)電池電壓高于4．25 V(VCUln)，且這種狀態(tài)保持在TCUl(TCUl時(shí)間由S-8254過(guò)充電檢測(cè)延遲端子CCT外接電容C2決定)以上時(shí)，S-8254充電控制用端子COP變?yōu)楦咦杩?，一?jí)充電MOS管QCHRl的G極被外接電阻R2拉高，QCHRl關(guān)閉，進(jìn)入過(guò)充電狀態(tài)；當(dāng)所有電池電壓都在4．15 V(VCLln)以下時(shí)，過(guò)充電狀態(tài)解除。

2．4 充電溫度保護(hù)

為了確保充電時(shí)的安全性和延長(zhǎng)電池的使用壽命，電池的充電溫度應(yīng)控制在O～45℃之間為宜。該系統(tǒng)采用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的NTC溫度傳感器RES和一個(gè)2路比較器LM393來(lái)實(shí)現(xiàn)充電溫度保護(hù)，其原理圖如圖2所示：當(dāng)充電溫度位于O～45℃之間時(shí)，LM393的兩路比較器輸出均為高阻態(tài)，PNP型三極管Q1關(guān)斷，對(duì)充電電路不產(chǎn)生影響；隨著溫度的升高，RES阻值逐漸變小，當(dāng)溫度大于45℃時(shí)，LM393下面一路比較器反轉(zhuǎn)，輸出低電平，通過(guò)二極管D6將Q1的B極拉低，Q1導(dǎo)通，充電MOS管QCHRl的G極C_QCHR被強(qiáng)制拉高，QCHRl關(guān)閉，停止充電；同樣，隨著溫度的降低，RES阻值逐漸變大，當(dāng)溫度小于O℃時(shí)，LM393上面一路比較器輸出低電平，通過(guò)二極管D5將Q1導(dǎo)通，從而關(guān)閉QCHRl，停止充電。

2．5 其他保護(hù)功能

該系統(tǒng)通過(guò)一些簡(jiǎn)單有效的電路設(shè)計(jì)，巧妙地實(shí)現(xiàn)了所需的某些保護(hù)功能。

2．5．1 放電溫度保護(hù)

為了確保電池的使用安全性，需對(duì)電池的放電溫度進(jìn)行限制。該系統(tǒng)在放電MOS管QDISl，QDIS2的G極C_QDIS和VDD之間連接了一個(gè)常開(kāi)型可恢復(fù)溫度保險(xiǎn)絲F1。通常狀態(tài)下F1保持開(kāi)路。不影響正常放電；當(dāng)電池溫度高于75℃時(shí)，F(xiàn)1閉合，C_QDIS與VDD導(dǎo)通．放電MOS管關(guān)閉，停止放電，從而實(shí)現(xiàn)放電溫度保護(hù)功能。

2．5．2 充電防反接保護(hù)

若誤將充電器的正、負(fù)極反接入系統(tǒng)中，則會(huì)由充電器和電池共同形成一個(gè)大電流回路，導(dǎo)致元器件損壞，甚至帶來(lái)更大的安全危害。該系統(tǒng)在充電回路中串接進(jìn)一個(gè)防反接二極管D1，這樣即使充電器反接，因此時(shí)CHRl的電位將高于CHR+，由于二極管D1的存在，系統(tǒng)將構(gòu)不成回路，從而對(duì)其起到了保護(hù)作用。

2．5．3 充電時(shí)禁止放電

系統(tǒng)在連接充電器進(jìn)行充電的過(guò)程中若允許其進(jìn)行放電工作，可能會(huì)帶來(lái)不必要的安全隱患，因此該系統(tǒng)在充電器的正極輸入端CHR+和C_QDIS之間接入了一個(gè)二極管D4。在未連接充電器時(shí)，CHR+懸空，對(duì)放電工作不產(chǎn)生影響；當(dāng)連接充電器進(jìn)行充電時(shí)，C_QDIS通過(guò)D4被CHR+強(qiáng)制拉高，QDISl，QDIS2關(guān)閉，禁止放電。

3 結(jié)語(yǔ)

鋰離子可充電電池以其特有的性能優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域中得到了普遍應(yīng)用，可以預(yù)計(jì)其必將成為21世紀(jì)的主要?jiǎng)恿﹄娫粗?。隨著鋰離子可充電電池工業(yè)的發(fā)展，保護(hù)系統(tǒng)作為其不可分割的一部分必將起到越來(lái)越重要的作用。