可充電鋰電池三/四節串聯(lián)保護系統設計

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。

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ICS-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。

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50mV為進(jìn)階單位，S-8244系列過(guò)充電檢測電壓以5mV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

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2.7V(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3.0V(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、過(guò)電流、短路保護

該系統采用2個(gè)并聯(lián)的20mΩ功率電阻RS1，RS2用于過(guò)電流檢測。當放電電流大于20A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1VI0V1(O.2V)，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3VIOV3(電池1的正電壓VC1～1.2V)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50A時(shí)，VINI和VSS之間的電壓差大于過(guò)電流檢測電位2VIOV2(0.5V)，且這種狀態(tài)保持在TIOV2(1ms)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)。

3、過(guò)充電保護