浅谈锂离子电池保护电路的设计

王彦萍

摘 要：对于锂离子电池而言，通常情况下，存在着过充、过放，对电池本身及用电设备造成很大伤害。该文采用专用电池管理IC，对锂离子电池实现过充、过放、过流保护功能，并实现串联电池充电平衡。

关键词：锂离子电池 保护 均衡 过充 过放

中图分类号：TM911 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（c）-0040-03

锂原电池和锂离子电池（简称锂电池）是20世纪80年代研发成功的新型电池。锂原电池是采取金属锂和锂合金为负极。

锂电池是以锂离子嵌入化合物为正极，碳材料为负极的新型材料的电池。锂离子在充放电工作过程中，实质上就是锂离子在电池内部嵌入和脱嵌的过程，充电时，锂离子从电池的正极经电解液回到电池的负极，放电时，锂离子从电池的负极脱出又回到正极，在正常使用电池的情况下，锂电池只是材料层面间距变化，晶体结构未变，改善了电池的安全性，提高循环使用次数，逐渐替代了不安全的锂原电池。

锂电池的优点：比能量高、具有高储存能量密度、使用寿命长、额定电压高、具备高功率承受力、重量轻、高低温适应型强、绿色环保自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一。

锂电池的缺点：锂离子电池的电解液为有机溶剂，内部阻抗大；由于钴酸锂价格高，成本比较高；对锂电池的过充电和过放电要采用特殊的保护电路。

从表1可以看出，锂电池的综合指标还是优于其他类型的电池，采用锂电池是当前不可阻挡的趋势。

目前锂电池的充电方法主要是：先恒流后恒压充电模式。其电压和电流的变化如图1所示，当充电器接入锂电池开始充电时，充电器对电池先进行涓流充电（很小的电流为0.01C，C为电池容量），如果锂电池的电压能够恢复到2.5 V，则电池完好可以进入恒流（0.2C）充电区，当锂电池的电压达到4.2 V（恒压门限）时，电池充电过程进入恒压区，电池电压不断上升，充电电流逐渐降低至0.01C时，充电结束。

锂电池在充电过程中，锂电池的电解质为有机溶液的分解-复合是不可逆的过程，对过程极为敏感，过充会导致正极出现过多的锂离子，电池正极结构被破坏，超过一定限度后，电池内部的电解质溶液进行不可逆的氧化分解，产生可燃气体放出大量热量，电池内部热失控，在温度高的环境中极可能引发电池起火与爆炸。

锂电池的充电逆过程即为放电，由表1可知锂电池的自放电率特别低，所以锂电池的放电过程就是锂电池正常使用工作的过程，锂电池放电曲线如图2所示。

锂电池在使用过程中，放电电流不能过大，电流过大会导致电池内部发热，使电池电极脱离，从而使电池材料失效，对电池造成永久性伤害；不能过放电，过放电会使集流体铜放生溶解，使电池受到损坏，因此单体锂电池的放电终止电压不得低于2.5 V。

由以上分析可知，过充和过放都会对锂电池和用电设备造成损伤，为了避免这种情况，要对锂电池进行电路保护是很有必要的。

锂离子电池保护板基本都是采用专用的电池管理IC，具有精度高，体积小，响应速度快等优点。现在较好的厂家有美上美MITSUMI、精工电子SII-IC、美信MAXIM、日本理光RICOH、台湾富晶FORTUNE等。

由于电池本身的化学反应特性，即使同一批次的电池其本质性能也略有差别，多组电池串联的时候会出现容量不均衡的现象，为了应对此现象，很多厂家都推出了带电量自均衡功能的电池管理IC。在此举例来设计一个带自均衡功能的7串锂电池保护板，采用精工电子的S-8209A作为主控IC，因S-8209A只具备了过充、过放、电量平衡检测的功能，而S-8239A具有过流保护功能，因此需要两种电路配合使用来实现对锂电池的保护。

由表2可知，主控IC S-8029A具有过充、过放以及电量平衡检测的功能，这些功能都是通过比较器实现，即通过检测到的电压与控制动作阈值相比较，从而决定输出的高低电平。

由表3可知，S-8239具有过充检测功能，IC内置高精度电压检测电路和延迟电路，可对多节锂电池串联进行过电流监控，实现对锂电池的过电流保护。

在该文对7节串联锂电池充电保护的电路中，需要连接一些外接元器件配合主控IC S-8209和S-8239对锂电池组实现过充、过放、过流和充电平衡的保护，如图3所示。

电路中Cha+和Cha-分别接充电器的正负极，BAT1～BAT7代表7节锂电池，串联起来组成锂电池组。主控IC S-8209通过串联来实现对锂电池组的过冲、过放和电路平衡的控制。电路中所采用的三极管为PNP型，MOS管为N沟道增强型管，二极管为普通单向导通硅管，二极管和MOS管组合一起保护电路不被击穿。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的电阻来限制流入芯片的电流，VDD端只需检测电压值；为了使VDD端的电压值更为精确，将0.01微发的陶瓷电容加在VDD和VSS之间滤除电路中的纹波干扰。

通常状态下即锂电池正常工作的时候，S-8209的VDD-VSS间电压（VDS）比过放电电压（VDL）高，且低于充电检测电压（VCU）。锂电池在正常情况下进行充电，当电池充满时，VDS≥VCU，S-8209的CO端子变为高阻抗，充电断开；锂电池工作时即锂电池放电的情况下，当电池放电电压低于2.0V时，VDS≤VDL，S-8209的CO端子变为高阻抗，放电停止；当给串联锂电池组充电时，如果串联的锂电池型号、使用情况、剩余电量基本相同时，因它们的充电电压和电流是平均的，锂电池组会在基本同步的情况下充满，当电池型号剩余电量等均不相同的组成的锂电池组，在充电情况不一致的情况下会触发电量平衡保护。在充电的过程中，如果某一单个锂电池充电完成，则与它相连接的S-8209的CB端则输出高电平，与其连接的MOS管导通，该锂电池通过MOS管的漏极进行微放电，直至所有锂电池充满，充电电路进行过充保护，电路断开。

通常状态的电池，当放电电流在额定值（过流）以上，S-8293的VINI端子电压在过电流检测以上且状态持续了过电流检测的延迟时间以上，且VDD端子-VM端子间电压为过电流解除电压以下时，保持过电流状态，在该状态时S-8293的VM端子视外部负载而定进行复位，结束过流状态，实现对锂电池的过流保护。

参考文献

[1] 杨德才.锂离子电池安全性[M].电子科技大学出版社，2012.

[2] 杨军，解晶莹，王久林.化学电源测试原理与技术[M].化学工业出版社，2006.

[3] 黄倩.锂离子电池热效应及其安全性能的研究[D].复旦大学，2007.