可充電鋰電池三/四節(jié)串聯(lián)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋰離子可充電電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型高能電池，相對(duì)于傳統(tǒng)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(zhǎng)、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染等優(yōu)點(diǎn)，自問世以來已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中，如移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等，部分代替了傳統(tǒng)電池。單節(jié)鋰離子電池的電壓約為3.6V，容量也不可能無限大，因此，常將單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行串、并聯(lián)處理，以滿足不同場(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(yán)格、周密的充、放電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案采用充電、放電分離的控制方式，具有兩級(jí)單節(jié)過充電保護(hù)、單節(jié)過放電保護(hù)、兩級(jí)放電過電流保護(hù)、放電短路保護(hù)、放電溫度保護(hù)、充電溫度保護(hù)、充電防反接保護(hù)、充電時(shí)禁止放電等功能，可適用于各種三/四節(jié)鋰離子可充電電池串聯(lián)使用的場(chǎng)合。

系統(tǒng)概述

該保護(hù)系統(tǒng)采用精工電子三/四節(jié)串聯(lián)鋰離子可充電電池專用充、放電保護(hù)ICS-8254構(gòu)建一級(jí)保護(hù)。S-8254系列內(nèi)置高精度電壓檢測(cè)電路和延遲電路，針對(duì)各節(jié)電池進(jìn)行高精度電壓檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)單節(jié)過充電保護(hù)和單節(jié)過放電保護(hù)，并具備三段過電流檢測(cè)功能，通過外接電容可設(shè)置過充電檢測(cè)延遲時(shí)間、過放電檢測(cè)延遲時(shí)間和過電流檢測(cè)延遲時(shí)間1(過電流檢測(cè)延遲時(shí)間2和過電流檢測(cè)延遲時(shí)間3在芯片內(nèi)部被固定)。該系統(tǒng)采用精工電子S-8244系列內(nèi)置高精度電壓檢測(cè)電路和延遲電路的鋰離子可充電電池二級(jí)保護(hù)專用IC實(shí)現(xiàn)電池的單節(jié)二級(jí)充電保護(hù)，其保護(hù)延遲時(shí)間可通過外接電容的容值來設(shè)置。

S-8254通過SEL端子可以實(shí)現(xiàn)電池三節(jié)串聯(lián)用或四節(jié)串聯(lián)用的切換；S-8244則通過電阻R22短路第四節(jié)電池電壓檢測(cè)端子VCC3和VSS即可用作三節(jié)電池串聯(lián)使用時(shí)的二級(jí)保護(hù)。

各保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

S-8254系列充、放電保護(hù)電壓和過電流檢測(cè)電壓以50mV為進(jìn)階單位，S-8244系列過充電檢測(cè)電壓以5mV為進(jìn)階單位，系統(tǒng)根據(jù)不同場(chǎng)合的使用需求，可以選擇相應(yīng)適合的型號(hào)?，F(xiàn)以圖1保護(hù)系統(tǒng)為例，采用S-8254AAVFT和S-8244AAPFN作為保護(hù)IC，具體說明各保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)過程。

圖1為四節(jié)電池串聯(lián)使用時(shí)的保護(hù)系統(tǒng)原理圖

1、過放電保護(hù)

通常狀態(tài)下，S-8254放電控制用端子DOP為VSS(電池4的負(fù)電壓)電位，放電MOS管QDISl，QDIS2處于導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)可正常進(jìn)行放電工作。當(dāng)檢測(cè)到某節(jié)電池電壓低于2.7V(VDLn)，且這種狀態(tài)保持在TDL(TDL時(shí)間由過放電檢測(cè)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)稱為過放電狀態(tài)。進(jìn)入過放電狀態(tài)后，VMP端子電壓經(jīng)電阻 R3由負(fù)載下拉至VDD/2以下，S-8254轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)；斷開負(fù)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(dāng)所有電池電壓都在3.0V(VDUn)以上時(shí)，過放電狀態(tài)被解除，系統(tǒng)恢復(fù)正常放電工作。

2、過電流、短路保護(hù)

該系統(tǒng)采用2個(gè)并聯(lián)的20mΩ功率電阻RS1，RS2用于過電流檢測(cè)。當(dāng)放電電流大于20A時(shí)，過電流1，2檢測(cè)端子VINI和VSS之間的電壓差大于過電流檢測(cè)電位1VI0V1(O.2V)，且這種狀態(tài)保持在TIOVl(TIOVl時(shí)間由過電流1檢測(cè)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)入過電流1保護(hù)狀態(tài)。在過電流狀態(tài)下，VMP端子電壓經(jīng)電阻R3由負(fù)載下拉至VSS;斷開負(fù)載后，VMP端子電壓經(jīng)IC內(nèi)部RVMD電阻被上拉至過電流檢測(cè)電位3VIOV3(電池1的正電壓VC1～1.2V)以上，過電流狀態(tài)解除，系統(tǒng)恢復(fù)正常放電。當(dāng)放電電流大于50A時(shí)，VINI和VSS之間的電壓差大于過電流檢測(cè)電位2VIOV2(0.5V)，且這種狀態(tài)保持在TIOV2(1ms)以上時(shí)，進(jìn)入過電流2保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路時(shí)，過電流3檢測(cè)端子VMP的電壓被瞬間拉至VIOV3以下(檢測(cè)延遲時(shí)間TI0V3為300μs)，系統(tǒng)進(jìn)入短路保護(hù)(過電流3保護(hù))狀態(tài)。

3、過充電保護(hù)