多節(jié)鋰離子電池的充放電保護(hù)

鋰離子電池是一種應(yīng)用廣泛的可充電電池，它具有單體工作電壓高、體積小、重量輕、能量密度高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，可在較短時(shí)間內(nèi)快速充足電以及允許放電溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。此外，鋰離子電池還有自放電電流小、無(wú)記憶效應(yīng)和無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。其全球供貨量正在持續(xù)增加。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司的報(bào)告，07全年鋰離子可充電電池的全球供貨量比上年增加了17%。而隨著鋰離子電池的使用面的擴(kuò)大，對(duì)鋰離子電池的充放電保護(hù)就顯得愈發(fā)重要。

鋰離子電池的保護(hù)

鋰離子電池供電設(shè)備的安全性是人們目前最為關(guān)注的問(wèn)題，所以對(duì)其的保護(hù)就非常重要。鋰離子電池的保護(hù)主要包括過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、過(guò)電流及短路保護(hù)等。

1 過(guò)充電保護(hù)

當(dāng)充電器對(duì)鋰離子電池過(guò)充電時(shí)，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升，需終止充電狀態(tài)。為此，保護(hù)器件需監(jiān)測(cè)電池電壓，當(dāng)其到達(dá)電池過(guò)充電壓時(shí)，即激活過(guò)充電保護(hù)功能，中止充電。

2 過(guò)放電保護(hù)

為了防止鋰離子電池的過(guò)放電狀態(tài)，當(dāng)鋰離子電池電壓低于其過(guò)放電電壓檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，即激活過(guò)放電保護(hù)，中止放電，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式。

3 過(guò)電流及短路保護(hù)

當(dāng)鋰離子電池的放電電流過(guò)大或短路情況產(chǎn)生時(shí)，保護(hù)器件將激活過(guò)電流保護(hù)功能。

多節(jié)鋰離子電路的保護(hù)

單體鋰離子電池的額定電壓為    3.6V，不能滿足高電壓供電場(chǎng)合的需要，因此就需要多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)使用。為此，各有關(guān)電源管理控制集成電路生產(chǎn)廠商紛紛推出了自己的多節(jié)鋰離子電池（電池組）保護(hù)集成電路芯片，如精工技術(shù)有限公司（SII）的S-8204B (S-8204B隸屬于S-8204系列，該系列的另一個(gè)產(chǎn)品是S-8204A。兩者的區(qū)別是S-8204A配合P溝道MOSFET工作，S-8204B則配合N溝道MOSFET工作)。這類產(chǎn)品的特點(diǎn)是監(jiān)控3、4節(jié)鋰離子電池的充放電狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放和過(guò)電流保護(hù)。

圖1 多節(jié)鋰離子電池的級(jí)聯(lián)

以S-8204B為例，它能對(duì)各節(jié)鋰離子電池的電壓進(jìn)行高精度檢測(cè)，具有3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、放電過(guò)電流檢測(cè)延遲時(shí)間1和放電過(guò)電流檢測(cè)延遲時(shí)間2，還能通過(guò)SEL端子切換3/4節(jié)鋰離子電池串聯(lián)使用。不過(guò)，它最大的特點(diǎn)是可以級(jí)聯(lián)使用，下節(jié)將對(duì)S-8204B的這一功能進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

保護(hù)芯片級(jí)聯(lián)

上面提到的電池保護(hù)芯片最多能保護(hù)4節(jié)鋰離子電池，然而很多應(yīng)用都需要5～12節(jié)鋰離子電池串聯(lián)工作，比如電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車和UPS，此時(shí)又如何解決呢？答案很簡(jiǎn)單，就是同時(shí)使用多個(gè)鋰電池保護(hù)芯片。如圖1所示，兩個(gè)保護(hù)芯片串聯(lián)在一起，由2個(gè)N溝道MOSFET做控制開(kāi)關(guān)，可以保護(hù)8節(jié)鋰離子電池，三個(gè)保護(hù)芯片串聯(lián)在一起，就保護(hù)了12節(jié)鋰離子電池。這種多保護(hù)芯片的串聯(lián)就是保護(hù)芯片的“級(jí)聯(lián)”。以S-8204B為例，兩個(gè)S-8204B聯(lián)合使用，用2個(gè)N溝道MOSFET在低壓側(cè)端進(jìn)行控制，這樣通過(guò)單顆IC可選3節(jié)和4節(jié)的功能就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)6～8節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護(hù)。如果是5節(jié)鋰離子電池串聯(lián)，則可以使用一個(gè)S-8204B與其他鋰離子電池保護(hù)芯片串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。這種多保護(hù)芯片的靈活組合，可以完成對(duì)任意數(shù)目鋰離子電池的保護(hù)。

圖2  鋰離子電池過(guò)充電時(shí)的保護(hù)電路工作原理圖

圖3  鋰離子電池過(guò)放電時(shí)的保護(hù)電路工作原理圖

下面，詳細(xì)介紹一下保護(hù)芯片級(jí)聯(lián)的具體工作情況。還是以S-8204B為例，其CTLC端子可由芯片外部控制COP端子的輸出電壓、而CTLD端子則可由芯片外部控制DOP端子的輸出電壓。通過(guò)CTLC端子以及CTLD端子可以分別單獨(dú)控制COP端子與DOP端子的輸出電壓。并且，這些控制功能優(yōu)先于芯片內(nèi)部的電池充放電保護(hù)功能。如果8節(jié)電池中的某一節(jié)電池發(fā)生過(guò)充，與該電池相連接的S-8204B的COP端子輸出電壓會(huì)發(fā)生變化，該電壓變化會(huì)傳遞到與其相連接的另一個(gè)S-8204B的CTLC端子，使得另一個(gè)S-8204B的COP端子輸出電壓也發(fā)生變化，從而控制充電控制用MOSFET關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的過(guò)充電保護(hù)。如果8節(jié)電池中的某一節(jié)電池發(fā)生過(guò)放電時(shí)，則由與該電池相連接的S-8204B的DOP端子向另一個(gè)S-8204B芯片的CTLD端子發(fā)出過(guò)放信號(hào)，改變其DOP端子的狀態(tài)，最終使得放電控制用MOSFET關(guān)斷，結(jié)束放電。圖2給出了采用兩個(gè)S-8204B實(shí)現(xiàn)過(guò)充電保護(hù)的電路工作原理圖（在N溝道MOSFET控制情況下），圖3是過(guò)放電保護(hù)工作原理圖。

充放電時(shí)的溫度控制

另外，對(duì)充放電過(guò)程的溫度控制也是許多設(shè)計(jì)者需要考慮的。在高溫的時(shí)候?qū)︿囯x子電池充放電，會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)；在低溫的時(shí)候充放電，會(huì)對(duì)電芯造成損害。在上面的方案中，在S-8204B的CTLC端子外接一溫度控制開(kāi)關(guān)（如S-5841），在鋰離子電池充電過(guò)程中溫度過(guò)高時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)通過(guò)CTLC端子送給COP，強(qiáng)行結(jié)束鋰離子電池的充電過(guò)程。同樣，在CTLD端子外接溫度控制開(kāi)關(guān)，則能對(duì)放電過(guò)程進(jìn)行溫度保護(hù)。
　　
結(jié)語(yǔ)

市場(chǎng)上還有單芯片的多節(jié)鋰電池充電保護(hù)解決方案，像Intersil公司的ISL9208，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)7節(jié)鋰離子電池的充電保護(hù)。對(duì)比多芯片串聯(lián)的方案，單芯片解決方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、比較容易實(shí)現(xiàn)較好的電氣性能，不過(guò)能監(jiān)控的電池?cái)?shù)量有限，且價(jià)格較貴。采用多芯片的級(jí)聯(lián)方式，如S-8204系列，則不存在這種數(shù)量上的限制，其電路構(gòu)成靈活成本也不高，但缺點(diǎn)是外圍電路相對(duì)復(fù)雜，對(duì)外圍元件的匹配程度要求較高。

不過(guò)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信這兩種方案終會(huì)找到一個(gè)契合點(diǎn)。