鋰離子可充電電池是20世紀開(kāi)發(fā)成功的新型高能電池，相對于傳統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(cháng)、自放電率低、無(wú)記憶效應、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)已廣泛應用于軍事和民用小型電器中，如移動(dòng)電話(huà)、便攜式計算機、攝像機、照相機等，部分代替了傳統電池。單節鋰離子電池的電壓約為3．6V，容量也不可能無(wú)限大，因此，常將單節鋰離子電池進(jìn)行串、并聯(lián)處理，以滿(mǎn)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，本文介紹了一種嚴格、周密的充、放電保護系統的設計方案。該方案采用充電、放電分離的控制方式，具有兩級單節過(guò)充電保護、單節過(guò)放電保護、兩級放電過(guò)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(shí)禁止放電等功能，可適用于各種三／四節鋰離子可充電電池串聯(lián)使用的場(chǎng)合。
1 系統概述
該保護系統采用精工電子三／四節串聯(lián)鋰離子可充電電池專(zhuān)用充、放電保護IC S-8254構建一級保護。S-8254系列內置高精度電壓檢測電路和延遲電路，針對各節電池進(jìn)行高精度電壓檢測，實(shí)現單節過(guò)充電保護和單節過(guò)放電保護，并具備三段過(guò)電流檢測功能，通過(guò)外接電容可設置過(guò)充電檢測延遲時(shí)間、過(guò)放電檢測延遲時(shí)間和過(guò)電流檢測延遲時(shí)間1(過(guò)電流檢測延遲時(shí)間2和過(guò)電流檢測延遲時(shí)間3在芯片內部被固定)。該系統采用精工電子S-8244系列內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(zhuān)用IC實(shí)現電池的單節二級充電保護，其保護延遲時(shí)間可通過(guò)外接電容的容值來(lái)設置。
S-8254通過(guò)SEL端子可以實(shí)現電池三節串聯(lián)用或四節串聯(lián)用的切換；S-8244則通過(guò)電阻R22短路第四節電池電壓檢測端子VCC3和VSS即可用作三節電池串聯(lián)使用時(shí)的二級保護。
2 各保護功能的實(shí)現
S-8254系列充、放電保護電壓和過(guò)電流檢測電壓以50 mV為進(jìn)階單位，S-8244系列過(guò)充電檢測電壓以5 mV為進(jìn)階單位，系統根據不同場(chǎng)合的使用需求，可以選擇相應適合的型號�，F以圖1保護系統為例，采用S-8254AAVFT和S-8244AAPFN作為保護IC，具體說(shuō)明各保護功能的實(shí)現過(guò)程。
圖1為四節電池串聯(lián)使用時(shí)的保護系統原理圖。
2．1 過(guò)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處于導通狀態(tài)，系統可正常進(jìn)行放電工作。當檢測到某節電池電壓低于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(chēng)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由負載下拉至VDD／2以下，S-8254轉為休眠狀態(tài)；斷開(kāi)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，系統恢復正常放電工作。
2．2 過(guò)電流、短路保護
該系統采用2個(gè)并聯(lián)的20 mΩ功率電阻RS1，RS2用于過(guò)電流檢測。當放電電流大于20 A時(shí)，過(guò)電流1，2檢測端子VINI和VSS之間的電壓差大于過(guò)電流檢測電位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保護狀態(tài)。在過(guò)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(kāi)負載后，VMP端子電壓經(jīng)IC內部RVMD電阻被上拉至過(guò)電流檢測電位3 VIOV3(電池1的正電壓VC1～1．2 V)以上，過(guò)電流狀態(tài)解除，系統恢復正常放電。當放電電流大于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保護狀態(tài)。當負載出現短路時(shí)，過(guò)電流3檢測端子VMP的電壓被瞬間拉至VIOV3以下(檢測延遲時(shí)間TI0V3為300μs)，系統進(jìn)入短路保護(過(guò)電流3保護)狀態(tài)。
2．3 過(guò)充電保護
為了確保電池的安全性，該系統對于過(guò)充電狀態(tài)采取了兩級保護措施。首先，當檢測到某節電池電壓高于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”，二級充電MOS管QCHR2關(guān)閉，停止充電，這種狀態(tài)稱(chēng)為過(guò)充電狀態(tài)；進(jìn)入過(guò)充電狀態(tài)后，當所有電池電壓都在3．80 V(VCL2n)以下時(shí)，過(guò)充電狀態(tài)解除。若因某種原因導致S-8244保護失效，則S-8254過(guò)充電保護生效，當檢測到某節電池電壓高于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�，一級充電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
為了確保充電時(shí)的安全性和延長(cháng)電池的使用壽命，電池的充電溫度應控制在O～45℃之間為宜。該系統采用一個(gè)負溫度系數的NTC溫度傳感器RES和一個(gè)2路比較器LM393來(lái)實(shí)現充電溫度保護，其原理圖如圖2所示：當充電溫度位于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，對充電電路不產(chǎn)生影響；隨著(zhù)溫度的升高，RES阻值逐漸變小，當溫度大于45℃時(shí)，LM393下面一路比較器反轉，輸出低電平，通過(guò)二極管D6將Q1的B極拉低，Q1導通，充電MOS管QCHRl的G極C_QCHR被強制拉高，QCHRl關(guān)閉，停止充電；同樣，隨著(zhù)溫度的降低，RES阻值逐漸變大，當溫度小于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導通，從而關(guān)閉QCHRl，停止充電。
2．5 其他保護功能
該系統通過(guò)一些簡(jiǎn)單有效的電路設計，巧妙地實(shí)現了所需的某些保護功能。
2．5．1 放電溫度保護
為了確保電池的使用安全性，需對電池的放電溫度進(jìn)行限制。該系統在放電MOS管QDISl，QDIS2的G極C_QDIS和VDD之間連接了一個(gè)常開(kāi)型可恢復溫度保險絲F1。通常狀態(tài)下F1保持開(kāi)路。不影響正常放電；當電池溫度高于75℃時(shí)，F1閉合，C_QDIS與VDD導通．放電MOS管關(guān)閉，停止放電，從而實(shí)現放電溫度保護功能。
2．5．2 充電防反接保護
若誤將充電器的正、負極反接入系統中，則會(huì )由充電器和電池共同形成一個(gè)大電流回路，導致元器件損壞，甚至帶來(lái)更大的安全危害。該系統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，系統將構不成回路，從而對其起到了保護作用。
2．5．3 充電時(shí)禁止放電
系統在連接充電器進(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，對放電工作不產(chǎn)生影響；當連接充電器進(jìn)行充電時(shí)，C_QDIS通過(guò)D4被CHR+強制拉高，QDISl，QDIS2關(guān)閉，禁止放電。
3 結語(yǔ)
鋰離子可充電電池以其特有的性能優(yōu)勢已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域中得到了普遍應用，可以預計其必將成為21世紀的主要動(dòng)力電源之一。隨著(zhù)鋰離子可充電電池工業(yè)的發(fā)展，保護系統作為其不可分割的一部分必將起到越來(lái)越重要的作用。 |
