Seiko 多节锂离子电池的充放电保护

多節鋰離子電池的充放電保護

鋰離子電池是一種應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、循環使用壽命長，可在較短時間內快速充足電以及允許放電溫度範圍寬等優點。此外，鋰離子電池還有自放電電流小、無記憶效應和無環境污染等優點。其全球供貨量正在持續增加。根據市場調研公司的報告，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重要。

鋰離子電池的保護

鋰離子電池供電設備的安全性是人們目前最為關注的問題，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

當充電器對鋰離子電池過充電時，為防止因溫度上升所導致的內壓上升，需終止充電狀態。為此，保護器件需監測電池電壓，當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，當鋰離子電池電壓低於其過放電電壓檢測點時，即激活過放電保護，中止放電，並將電池保持在低靜態電流的待機模式。

3 過電流及短路保護

當鋰離子電池的放電電流過大或短路情況產生時，保護器件將激活過電流保護功能。

多節鋰離子電路的保護

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，因此就需要多節鋰離子電池串聯使用。為此，各有關電源管理控制集成電路生產廠商紛紛推出了自己的多節鋰離子電池（電池組）保護集成電路芯片，如精工技術有限公司（SII）的S-8204B (S-8204B隸屬於S-8204系列，該系列的另一個產品是S-8204A。兩者的區別是S-8204A配合P溝道MOSFET工作，S-8204B則配合N溝道MOSFET 工作)。這類產品的特點是監控3、4節鋰離子電池的充放電狀態，可實現過充、過放和過電流保護。

以S-8204B為例，它能對各節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節鋰離子電池串聯使用。不過，它最大的特點是可以級聯使用，下節將對S-8204B的這一功能進行詳細說明。

保護芯片級聯

上面提到的電池保護芯片最多能保護4節鋰離子電池，然而很多應用都需要5～12節鋰離子電池串聯工作，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，兩個保護芯片串聯在一起，由2個N溝道MOSFET做控制開關，可以保護8節鋰離子電池，三個保護芯片串聯在一起，就保護了12節鋰離子電池。這種多保護芯片的串聯就是保護芯片的“級聯”。以S-8204B為例，兩個S-8204B聯合使用，用2個N溝道MOSFET在低壓側端進行控制，這樣通過單顆IC可選3節和4節的功能就可以實現對6～8節串聯鋰離子電池的保護。如果是5節鋰離子電池串聯，則可以使用一個S-8204B與其他鋰離子電池保護芯片串聯，實現保護功能。這種多保護芯片的靈活組合，可以完成對任意數目鋰離子電池的保護。

圖1 多節鋰離子電池的級聯

下面詳細介紹一下保護芯片級聯的具體工作情況。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。並且，這些控制功能優先於芯片內部的電池充放電保護功能。如果8節電池中的某一節電池發生過充，與該電池相連接的S-8204B 的COP端子輸出電壓會發生變化，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端子輸出電壓也發生變化，從而控制充電控制用MOSFET關斷，實現鋰離子電池的過充電保護。如果8節電池中的某一節電池發生過放電時，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端子發出過放信號，改變其DOP端子的狀態，最終使得放電控制用MOSFET關斷，結束放電。圖2給出了採用兩個S-8204B實現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。

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

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計者需要考慮的。在高溫的時候對鋰離子電池充放電，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（如S-5841），在鋰離子電池充電過程中溫度過高時，溫控開關的控制信號通過CTLC端子送給COP，強行結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，則能對放電過程進行溫度保護。

結語

市場上還有單芯片的多節鋰電池充電保護解決方案，像Intersil公司的ISL9208，就可以實現對7節鋰離子電池的充電保護。對比多芯片串聯的方案，單芯片解決方案的優點是電路簡單、比較容易實現較好的電氣性能，不過能監控的電池數量有限，且價格較貴。採用多芯片的級聯方式，如S-8204系列，則不存在這種數量上的限制，其電路構成靈活成本也不高，但缺點是外圍電路相對複雜，對外圍元件的匹配程度要求較高。

不過，隨著技術的進步，相信這兩種方案終會找到一個契合點。