安全可靠的鋰離子可充電電池保護系統(tǒng)

鋰離子可充電電池是20世紀開發(fā)成功的新型高能電池，相對于傳統(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、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染等優(yōu)點，自問世以來已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中，如移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等，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，容量也不可能無限大，因此，常將單節(jié)鋰離子電池進行串、并聯(lián)處理，以滿足不同場合的要求。為了確保鋰離子電池安全可靠的使用，本文介紹了一種嚴格、周密的充、放電保護系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案采用充電、放電分離的控制方式，具有兩級單節(jié)過充電保護、單節(jié)過放電保護、兩級放電過電流保護、放電短路保護、放電溫度保護、充電溫度保護、充電防反接保護、充電時禁止放電等功能，可適用于各種三/四節(jié)鋰離子可充電電池串聯(lián)使用的場合。

系統(tǒng)概述

該保護系統(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IC S-8254構(gòu)建一級保護。S-8254系列內(nèi)置高精度電壓檢測電路和延遲電路，針對各節(jié)電池進行高精度電壓檢測，實現(xiàn)單節(jié)過充電保護和單節(jié)過放電保護，并具備三段過電流檢測功能，通過外接電容可設(shè)置過充電檢測延遲時間、過放電檢測延遲時間和過電流檢測延遲時間1(過電流檢測延遲時間2和過電流檢測延遲時間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)置高精度電壓檢測電路和延遲電路的鋰離子可充電電池二級保護專用IC實現(xiàn)電池的單節(jié)二級充電保護，其保護延遲時間可通過外接電容的容值來設(shè)置。

圖1為四節(jié)電池串聯(lián)使用時的保護系統(tǒng)原理圖。

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

各保護功能的實現(xiàn)

S-8254系列充、放電保護電壓和過電流檢測電壓以50 mV為進階單位，S-8244系列過充電檢測電壓以5 mV為進階單位，系統(tǒng)根據(jù)不同場合的使用需求，可以選擇相應(yīng)適合的型號。現(xiàn)以圖1保護系統(tǒng)為例，采用S-8254AAVFT和S-8244AAPFN作為保護IC，具體說明各保護功能的實現(xiàn)過程。

1、過放電保護

通常狀態(tài)下，S-8254放電控制用端子DOP為VSS(電池4的負電壓)電位，放電MOS管QDISl，QDIS2處于導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)可正常進行放電工作。當(dāng)檢測到某節(jié)電池電壓低于2.7 V(VDLn)，且這種狀態(tài)保持在TDL(TDL時間由過放電檢測延遲端子CDT外接電容CS決定)以上時，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)稱為過放電狀態(tài)。進入過放電狀態(tài)后，VMP端子電壓經(jīng)電阻R3由負載下拉至VDD/2以下，S-8254 轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài);斷開負載后，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，過放電狀態(tài)被解除，系統(tǒng)恢復(fù)正常放電工作。

2、過電流、短路保護

該系統(tǒng)采用2個并聯(lián)的20 mΩ功率電阻RS1，RS2用于過電流檢測。當(dāng)放電電流大于20 A時，過電流1，2檢測端子VINI和VSS之間的電壓差大于過電流檢測電位1 VI0V1(O.2 V)，且這種狀態(tài)保持在TIOVl(TIOVl時間由過電流1檢測延遲端子CDT外接電容C3決定)以上時，DOP端子的電壓變?yōu)閂DD電位，放電MOS 管關(guān)閉，停止放電，進入過電流1保護狀態(tài)。在過電流狀態(tài)下，VMP端子電壓經(jīng)電阻R3由負載下拉至VSS;斷開負載后，VMP端子電壓經(jīng)IC內(nèi)部RVMD 電阻被上拉至過電流檢測電位3 VIOV3(電池1的正電壓VC1～1.2 V)以上，過電流狀態(tài)解除，系統(tǒng)恢復(fù)正常放電。當(dāng)放電電流大于50 A時，VINI和VSS之間的電壓差大于過電流檢測電位2 VIOV2(0.5 V)，且這種狀態(tài)保持在TIOV2(1 ms)以上時，進入過電流2保護狀態(tài)。當(dāng)負載出現(xiàn)短路時，過電流3檢測端子VMP的電壓被瞬間拉至VIOV3以下(檢測延遲時間TI0V3為 300μs)，系統(tǒng)進入短路保護(過電流3保護)狀態(tài)。