多節(jié)鋰離子電池的充放電保護電路

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，可在較短時間內(nèi)快速充足電以及允許放電溫度范圍寬等優(yōu)點。此外，鋰離子電池還有自放電電流小、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)點。其全球供貨量正在持續(xù)增加。根據(jù)市場調(diào)研公司的報告，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大，對鋰離子電池的充放電保護就顯得愈發(fā)重要。

鋰離子電池的保護
鋰離子電池供電設(shè)備的安全性是人們目前最為關(guān)注的問題，所以對其的保護就非常重要。鋰離子電池的保護主要包括過充電保護、過放電保護、過電流及短路保護等。
1 過充電保護
當(dāng)充電器對鋰離子電池過充電時，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，保護器件需監(jiān)測電池電壓，當(dāng)其到達電池過充電壓時，即激活過充電保護功能，中止充電。
2 過放電保護
為了防止鋰離子電池的過放電狀態(tài)，當(dāng)鋰離子電池電壓低于其過放電電壓檢測點時，即激活過放電保護，中止放電，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機模式。
3 過電流及短路保護
當(dāng)鋰離子電池的放電電流過大或短路情況產(chǎn)生時，保護器件將激活過電流保護功能。

多節(jié)鋰離子電路的保護
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)品的特點是監(jiān)控3、4節(jié)鋰離子電池的充放電狀態(tài)，可實現(xiàn)過充、過放和過電流保護。

圖1 多節(jié)鋰離子電池的級聯(lián)

以S-8204B為例，它能對各節(jié)鋰離子電池的電壓進行高精度檢測，具有3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、放電過電流檢測延遲時間1和放電過電流檢測延遲時間2，還能通過SEL端子切換3/4節(jié)鋰離子電池串聯(lián)使用。不過，它最大的特點是可以級聯(lián)使用，下節(jié)將對S-8204B的這一功能進行詳細說明。

保護芯片級聯(lián)

上面提到的電池保護芯片最多能保護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，比如電動工具、電動自行車和UPS，此時又如何解決呢？答案很簡單，就是同時使用多個鋰電池保護芯片。如圖1所示，兩個保護芯片串聯(lián)在一起，由2個N溝道MOSFET做控制開關(guān)，可以保護8節(jié)鋰離子電池，三個保護芯片串聯(lián)在一起，就保護了12節(jié)鋰離子電池。這種多保護芯片的串聯(lián)就是保護芯片的“級聯(lián)”。以S-8204B為例，兩個S-8204B聯(lián)合使用，用2個N溝道MOSFET在低壓側(cè)端進行控制，這樣通過單顆IC可選3節(jié)和4節(jié)的功能就可以實現(xiàn)對6～8節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護。如果是5節(jié)鋰離子電池串聯(lián)，則可以使用一個S-8204B與其他鋰離子電池保護芯片串聯(lián)，實現(xiàn)保護功能。這種多保護芯片的靈活組合，可以完成對任意數(shù)目鋰離子電池的保護。

圖2  鋰離子電池過充電時的保護電路工作原理圖

圖3  鋰離子電池過放電時的保護電路工作原理圖

下面，詳細介紹一下保護芯片級聯(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CTLC端子以及CTLD端子可以分別單獨控制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功能。如果8節(jié)電池中的某一節(jié)電池發(fā)生過充，與該電池相連接的S-8204B的COP端子輸出電壓會發(fā)生變化，該電壓變化會傳遞到與其相連接的另一個S-8204B的CTLC端子，使得另一個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，實現(xiàn)鋰離子電池的過充電保護。如果8節(jié)電池中的某一節(jié)電池發(fā)生過放電時，則由與該電池相連接的S-8204B的DOP端子向另一個S-8204B芯片的CTLD端子發(fā)出過放信號，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S-8204B實現(xiàn)過充電保護的電路工作原理圖（在N溝道MOSFET控制情況下），圖3是過放電保護工作原理圖。

充放電時的溫度控制

另外，對充放電過程的溫度控制也是許多設(shè)計者需要考慮的。在高溫的時候?qū)︿囯x子電池充放電，會有爆炸的危險；在低溫的時候充放電，會對電芯造成損害。在上面的方案中，在S-8204B的CTLC端子外接一溫度控制開關(guān)（如S-5841），在鋰離子電池充電過程中溫度過高時，溫控開關(guān)的控制信號通過CTLC端子送給COP，強行結(jié)束鋰離子電池的充電過程。同樣，在CTLD端子外接溫度控制開關(guān)，則能對放電過程進行溫度保護。
　　
結(jié)語

市場上還有單芯片的多節(jié)鋰電池充電保護解決方案，像Intersil公司的ISL9208，就可以實現(xiàn)對7節(jié)鋰離子電池的充電保護。對比多芯片串聯(lián)的方案，單芯片解決方案的優(yōu)點是電路簡單、比較容易實現(xiàn)較好的電氣性能，不過能監(jiān)控的電池數(shù)量有限，且價格較貴。采用多芯片的級聯(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，但缺點是外圍電路相對復(fù)雜，對外圍元件的匹配程度要求較高。

不過，隨著技術(shù)的進步，相信這兩種方案終會找到一個契合點。