安全可靠的鋰離子可充電電池保護系統設計辦法

鋰離子可充電電池是20世紀開發成功的新型高能電池，相關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、無污染等優勢，自問世以來已廣泛使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。單節鋰電池的電壓約為3.6V，容量也不可能無限大，因此，常將單節鋰電池進行串、并聯解決，以滿足不同場合的要求。為了確保鋰電池安全可靠的使用，本文解析了一種嚴格、周密的充、放電保護系統的設計辦法。該辦法采用充電、放電分離的控制方式，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。

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ICS-8254構建一級保護。S-8254系列內置高精度電壓測試電路和延遲電路，針對各節電池進行高精度電壓測試，實現單節過充電保護和單節過放電保護，并具備三段過電流測試功能，通過外接電容可設置過充電測試延遲時間、過放電測試延遲時間和過電流測試延遲時間1(過電流測試延遲時間2和過電流測試延遲時間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測試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R22短路第四節電池電壓測試端子VCC3和VSS即可用作三節電池串聯使用時的二級保護。

各保護功能的實現

S-8254系列充、放電保護電壓和過電流測試電壓以50mV為進階單位，S-8244系列過充電測試電壓以5mV為進階單位，系統依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，詳盡說明各保護功能的實現過程。

1、過放電保護

通常狀態下，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，系統可正常進行放電工作。當測試到某節電池電壓低于2.7V(VDLn)，且這種狀態保持在TDL(TDL時間由過放電測試延遲端子CDT外接電容CS決定)以上時，DOp端子的電壓變為VDD(電池1的正電壓)電位，放電MOS管封閉，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VDD/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QCHRl和QCHR2由VDD上拉至VDD/2以上且低于VDD，S-8254退出休眠狀態。當所有電池電壓都在3.0V(VDUn)以上時，過放電狀態被解除，系統恢復正常放電工作。

2、過電流、短路保護

該系統采用2個并聯的20mΩ功率電阻RS1，RS2用于過電流測試。當放電電流大于20A時，過電流1，2測試端子VINI和VSS之間的電壓差大于過電流測試電位1VI0V1(O.2V)，且這種狀態保持在TIOVl(TIOVl時間由過電流1測試延遲端子CDT外接電容C3決定)以上時，DOp端子的電壓變為VDD電位，放電MOS管封閉，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VSS;斷開負載后，VMp端子電壓經IC內部RVMD電阻被上拉至過電流測試電位3VIOV3(電池1的正電壓VC1～1.2V)以上，過電流狀態解除，系統恢復正常放電。當放電電流大于50A時，VINI和VSS之間的電壓差大于過電流測試電位2VIOV2(0.5V)，且這種狀態保持在TIOV2(1ms)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測試端子VMp的電壓被瞬間拉至VIOV3以下(測試延遲時間TI0V3為300μs)，系統進入短路保護(過電流3保護)狀態。

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