淺談鋰離子電池保護電路的設(shè)計

王彥萍

摘 要：對于鋰離子電池而言，通常情況下，存在著過充、過放，對電池本身及用電設(shè)備造成很大傷害。該文采用專用電池管理IC，對鋰離子電池實現(xiàn)過充、過放、過流保護功能，并實現(xiàn)串聯(lián)電池充電平衡。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 保護 均衡 過充 過放

中圖分類號：TM911 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（c）-0040-03

鋰原電池和鋰離子電池（簡稱鋰電池）是20世紀(jì)80年代研發(fā)成功的新型電池。鋰原電池是采取金屬鋰和鋰合金為負(fù)極。

鋰電池是以鋰離子嵌入化合物為正極，碳材料為負(fù)極的新型材料的電池。鋰離子在充放電工作過程中，實質(zhì)上就是鋰離子在電池內(nèi)部嵌入和脫嵌的過程，充電時，鋰離子從電池的正極經(jīng)電解液回到電池的負(fù)極，放電時，鋰離子從電池的負(fù)極脫出又回到正極，在正常使用電池的情況下，鋰電池只是材料層面間距變化，晶體結(jié)構(gòu)未變，改善了電池的安全性，提高循環(huán)使用次數(shù)，逐漸替代了不安全的鋰原電池。

鋰電池的優(yōu)點：比能量高、具有高儲存能量密度、使用壽命長、額定電壓高、具備高功率承受力、重量輕、高低溫適應(yīng)型強、綠色環(huán)保自放電率很低，這是該電池最突出的優(yōu)越性之一。

鋰電池的缺點：鋰離子電池的電解液為有機溶劑，內(nèi)部阻抗大；由于鈷酸鋰價格高，成本比較高；對鋰電池的過充電和過放電要采用特殊的保護電路。

從表1可以看出，鋰電池的綜合指標(biāo)還是優(yōu)于其他類型的電池，采用鋰電池是當(dāng)前不可阻擋的趨勢。

目前鋰電池的充電方法主要是：先恒流后恒壓充電模式。其電壓和電流的變化如圖1所示，當(dāng)充電器接入鋰電池開始充電時，充電器對電池先進行涓流充電（很小的電流為0.01C，C為電池容量），如果鋰電池的電壓能夠恢復(fù)到2.5 V，則電池完好可以進入恒流（0.2C）充電區(qū)，當(dāng)鋰電池的電壓達(dá)到4.2 V（恒壓門限）時，電池充電過程進入恒壓區(qū)，電池電壓不斷上升，充電電流逐漸降低至0.01C時，充電結(jié)束。

鋰電池在充電過程中，鋰電池的電解質(zhì)為有機溶液的分解-復(fù)合是不可逆的過程，對過程極為敏感，過充會導(dǎo)致正極出現(xiàn)過多的鋰離子，電池正極結(jié)構(gòu)被破壞，超過一定限度后，電池內(nèi)部的電解質(zhì)溶液進行不可逆的氧化分解，產(chǎn)生可燃?xì)怏w放出大量熱量，電池內(nèi)部熱失控，在溫度高的環(huán)境中極可能引發(fā)電池起火與爆炸。

鋰電池的充電逆過程即為放電，由表1可知鋰電池的自放電率特別低，所以鋰電池的放電過程就是鋰電池正常使用工作的過程，鋰電池放電曲線如圖2所示。

鋰電池在使用過程中，放電電流不能過大，電流過大會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱，使電池電極脫離，從而使電池材料失效，對電池造成永久性傷害；不能過放電，過放電會使集流體銅放生溶解，使電池受到損壞，因此單體鋰電池的放電終止電壓不得低于2.5 V。

由以上分析可知，過充和過放都會對鋰電池和用電設(shè)備造成損傷，為了避免這種情況，要對鋰電池進行電路保護是很有必要的。

鋰離子電池保護板基本都是采用專用的電池管理IC，具有精度高，體積小，響應(yīng)速度快等優(yōu)點?，F(xiàn)在較好的廠家有美上美MITSUMI、精工電子SII-IC、美信MAXIM、日本理光RICOH、臺灣富晶FORTUNE等。

由于電池本身的化學(xué)反應(yīng)特性，即使同一批次的電池其本質(zhì)性能也略有差別，多組電池串聯(lián)的時候會出現(xiàn)容量不均衡的現(xiàn)象，為了應(yīng)對此現(xiàn)象，很多廠家都推出了帶電量自均衡功能的電池管理IC。在此舉例來設(shè)計一個帶自均衡功能的7串鋰電池保護板，采用精工電子的S-8209A作為主控IC，因S-8209A只具備了過充、過放、電量平衡檢測的功能，而S-8239A具有過流保護功能，因此需要兩種電路配合使用來實現(xiàn)對鋰電池的保護。

由表2可知，主控IC S-8029A具有過充、過放以及電量平衡檢測的功能，這些功能都是通過比較器實現(xiàn)，即通過檢測到的電壓與控制動作閾值相比較，從而決定輸出的高低電平。

由表3可知，S-8239具有過充檢測功能，IC內(nèi)置高精度電壓檢測電路和延遲電路，可對多節(jié)鋰電池串聯(lián)進行過電流監(jiān)控，實現(xiàn)對鋰電池的過電流保護。

在該文對7節(jié)串聯(lián)鋰電池充電保護的電路中，需要連接一些外接元器件配合主控IC S-8209和S-8239對鋰電池組實現(xiàn)過充、過放、過流和充電平衡的保護，如圖3所示。

電路中Cha+和Cha-分別接充電器的正負(fù)極，BAT1～BAT7代表7節(jié)鋰電池，串聯(lián)起來組成鋰電池組。主控IC S-8209通過串聯(lián)來實現(xiàn)對鋰電池組的過沖、過放和電路平衡的控制。電路中所采用的三極管為PNP型，MOS管為N溝道增強型管，二極管為普通單向?qū)ü韫埽O管和MOS管組合一起保護電路不被擊穿。由于S-8209的功率只有700 MW，所以在接入S-8209的VDD端接入470 Ω的電阻來限制流入芯片的電流，VDD端只需檢測電壓值；為了使VDD端的電壓值更為精確，將0.01微發(fā)的陶瓷電容加在VDD和VSS之間濾除電路中的紋波干擾。

通常狀態(tài)下即鋰電池正常工作的時候，S-8209的VDD-VSS間電壓（VDS）比過放電電壓（VDL）高，且低于充電檢測電壓（VCU）。鋰電池在正常情況下進行充電，當(dāng)電池充滿時，VDS≥VCU，S-8209的CO端子變?yōu)楦咦杩梗潆姅嚅_；鋰電池工作時即鋰電池放電的情況下，當(dāng)電池放電電壓低于2.0V時，VDS≤VDL，S-8209的CO端子變?yōu)楦咦杩?，放電停止；?dāng)給串聯(lián)鋰電池組充電時，如果串聯(lián)的鋰電池型號、使用情況、剩余電量基本相同時，因它們的充電電壓和電流是平均的，鋰電池組會在基本同步的情況下充滿，當(dāng)電池型號剩余電量等均不相同的組成的鋰電池組，在充電情況不一致的情況下會觸發(fā)電量平衡保護。在充電的過程中，如果某一單個鋰電池充電完成，則與它相連接的S-8209的CB端則輸出高電平，與其連接的MOS管導(dǎo)通，該鋰電池通過MOS管的漏極進行微放電，直至所有鋰電池充滿，充電電路進行過充保護，電路斷開。

通常狀態(tài)的電池，當(dāng)放電電流在額定值（過流）以上，S-8293的VINI端子電壓在過電流檢測以上且狀態(tài)持續(xù)了過電流檢測的延遲時間以上，且VDD端子-VM端子間電壓為過電流解除電壓以下時，保持過電流狀態(tài)，在該狀態(tài)時S-8293的VM端子視外部負(fù)載而定進行復(fù)位，結(jié)束過流狀態(tài)，實現(xiàn)對鋰電池的過流保護。

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