三/四節串聯鋰電池保護系統設計

摘 要:三/四節串聯鋰電池保護系統采用充電、放電分離的控制方式，對各種三/四節鋰離子可充電電池串聯使用場合的充電、放電過程進行嚴格地控制和保護，具有兩級單節過充電保護、單節過放電保護、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，以確保鋰電池的使用安全性和延長鋰電池的使用壽命，其電路簡單、可靠、有效。

關鍵詞:鋰離子可充電電池; 充電過程; 放電過程; 保護系統

中圖分類號:TN709 文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)12-0182-03

Design of Protection System for 3-serial or 4-serial Lithium Batteries

WANG Xian-feng

(Hefei General Machinery Research Institute， Hefei 230088， China)

Abstract:A control mode to keep the charge separate from the discharge is adopted in a protection system for 3-serial or 4-serial lithium batteries. The charge and discharge processes of different 3-serial or 4-serial lithium ion rechargeable batteries which is underway are rigorously dominated and safeguarded. The system has the functions such as two-level overcharge protection for each cell， overdischarge protection for each cell， two-level overcurrent protection of discharge， short circuit protection of discharge， temperature protection of discharge， temperature protection of charge， polarity protection when charging and so on， which can gurrantee the security of lithium batteries and prolong the service life of lithium batteries. The circuit is simple， reliable and effective.

Keywords:lithium ion rechargeable battery; charge process; discharge process; protection system

鋰離子可充電電池是20世紀開發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、循環壽命長、自放電率低、無記憶效應、無污染等優點[1-3]，自問世以來已廣泛應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，部分代替了傳統電池[4]。單節鋰離子電池的電壓約為3.6 V，容量也不可能無限大[5]，因此，常將單節鋰離子電池進行串、并聯處理，以滿足不同場合的要求[6]。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[7]，具有兩級單節過充電保護、單節過放電保護、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鋰離子可充電電池串聯使用的場合。

1 系統概述

該保護系統采用精工電子三/四節串聯鋰離子可充電電池專用充、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，針對各節電池進行高精度電壓檢測，實現單節過充電保護和單節過放電保護，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用IC實現電池的單節二級充電保護，其保護延遲時間可通過外接電容的容值來設置。

圖1為四節電池串聯使用時的保護系統原理圖。

S-8254通過SEL端子可以實現電池三節串聯用或四節串聯用的切換;S-8244則通過電阻R22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使用時的二級保護。

2 各保護功能的實現

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，系統根據不同場合的使用需求，可以選擇相應適合的型號。現以圖1保護系統為例，采用S-8254AAVFT和S-8244AAPFN作為保護IC，具體說明各保護功能的實現過程。

圖1 四節串聯保護系統原理圖

2.1 過放電保護

通常狀態下，S-8254放電控制用端子DOP為VSS(電池4的負電壓)電位，放電MOS管QDIS1，QDIS2處于導通狀態，系統可正常進行放電工作。當檢測到某節電池電壓低于2.7 V(VDLn)，且這種狀態保持在TDL(TDL時間由過放電檢測延遲端子CDT外接電容C3決定)以上時，DOP端子的電壓變為VDD(電池1的正電壓)電位，放電MOS管關閉，停止放電，這種狀態稱為過放電狀態。進入過放電狀態后，VMP端子電壓經電阻R3由負載下拉至VDD/2以下，S-8254轉為休眠狀態;斷開負載后，VMP端子電壓經電阻R9、充電MOS管QCHR1和QCHR2由VDD上拉至VDD/2以上且低于VDD，S-8254退出休眠狀態。當所有電池電壓都在3.0 V( VDUn)以上時，過放電狀態被解除，系統恢復正常放電工作。

2.2 過電流、短路保護

該系統采用2個并聯的20 mΩ功率電阻Rs1，Rs2用于過電流檢測。當放電電流大于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 VIOV1(0.2 V)，且這種狀態保持在TIOV1(TIOV1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端子的電壓變為VDD電位，放電MOS管關閉，停止放電，進入過電流1保護狀態。在過電流狀態下，VMP端子電壓經電阻R3由負載下拉至VSS;斷開負載后，VMP端子電壓經IC內部RVMD電阻被上拉至過電流檢測電位3 VIOV3(電池1的正電壓VC1~1.2 V)以上，過電流狀態解除，系統恢復正常放電。

當放電電流大于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)，且這種狀態保持在TIOV2(1 ms)以上時，進入過電流2保護狀態。

當負載出現短路時，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TIOV3 為300 μs)，系統進入短路保護(過電流3保護)狀態。

2.3 過充電保護

為了確保電池的安全性，該系統對于過充電狀態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)，且這種狀態保持在TCU2(TCU2時間由S-8244過充電檢測延遲端子ICT外接電容C16決定)以上時，S-8244充電控制用端子CO 輸出動態“H”，二級充電MOS管QCHR2關閉，停止充電，這種狀態稱為過充電狀態;進入過充電狀態后，當所有電池電壓都在3.80 V( VCL2n)以下時，過充電狀態解除。若因某種原因導致S-8244保護失效，則S-8254過充電保護生效，當檢測到某節電池電壓高于4.25 V(VCU1n)，且這種狀態保持在TCU1(TCU1時間由S-8254過充電檢測延遲端子CCT外接電容C2決定)以上時，S-8254充電控制用端子COP 變為高阻抗，一級充電MOS管QCHR1的G極被外接電阻R2拉高，QCHR1 關閉，進入過充電狀態; 當所有電池電壓都在4.15 V( VCL1n)以下時，過充電狀態解除。

2.4 充電溫度保護

為了確保充電時的安全性和延長電池的使用壽命，電池的充電溫度應控制在0～45 ℃之間為宜。

該系統采用一個負溫度系數的NTC溫度傳感器RES和一個2路比較器LM393來實現充電溫度保護[8-9]，其原理圖如圖2所示:當充電溫度位于0～45 ℃之間時，LM393的兩路比較器輸出均為高阻態，PNP型三極管Q1關斷，對充電電路不產生影響;隨著溫度的升高，RES阻值逐漸變小，當溫度大于45 ℃時，LM393下面一路比較器反轉，輸出低電平，通過二極管D6將Q1的B極拉低，Q1導通，充電MOS管QCHR1的G極C_QCHR被強制拉高，QCHR1關閉，停止充電;同樣，隨著溫度的降低，RES阻值逐漸變大，當溫度小于0 ℃時，LM393上面一路比較器輸出低電平，通過二極管D5將Q1導通，從而關閉QCHR1，停止充電。

圖2 充電溫度保護原理圖

2.5 其他保護功能

該系統通過一些簡單有效的電路設計，巧妙地實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行限制。該系統在放電MOS管QDIS1，QDIS2的G極C_QDIS和VDD之間連接了一個常開型可恢復溫度保險絲F1。通常狀態下F1保持開路，不影響正常放電;當電池溫度高于75 ℃時，F1閉合，C_QDIS與VDD 導通，放電MOS管關閉，停止放電，從而實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，則會由充電器和電池共同形成一個大電流回路，導致元器件損壞，甚至帶來更大的安全危害[10]。該系統在充電回路中串接進一個防反接二極管D1，這樣即使充電器反接，因此時CHR1的電位將高于CHR+，由于二極管D1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 充電時禁止放電

系統在連接充電器進行充電的過程中若允許其進行放電工作，可能會帶來不必要的安全隱患，因此該系統在充電器的正極輸入端CHR+和C_QDIS之間接入了一個二極管D4。在未連接充電器時，CHR+懸空，對放電工作不產生影響;當連接充電器進行充電時，C_QDIS通過D4被CHR+強制拉高，QDIS1，QDIS2關閉，禁止放電。

3 結 語

鋰離子可充電電池以其特有的性能優勢已經在多個領域中得到了普遍應用，可以預計其必將成為21世紀的主要動力電源之一。隨著鋰離子可充電電池工業的發展，保護系統作為其不可分割的一部分必將起到越來越重要的作用。

參考文獻

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