多节锂离子电池的充放电保护电路

多节锂离子电池的充放电保护电路

锂离子电池是一种应用广泛的可充电电池，它具有单体工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、循环使用寿命长，可在较短时间内快速充足电以及允许放电温度范围宽等优点。此外，锂离子电池还有自放电电流小、无记忆效应和无环境污染等优点。其全球供货量正在持续增加。根据市场调研公司的报告，07全年锂离子可充电电池的全球供货量比上年增加了17%。而随着锂离子电池的使用面的扩大，对锂离子电池的充放电保护就显得愈发重要。

锂离子电池的保护单体锂离子电池的额定电压为 3.6V，不能满足高电压供电场合的需要，因此就需要多节锂离子电池串联使用。为此，各有关电源管理控制集成电路生产厂商纷纷推出了自己的多节锂离子电池（电池组）保护集成电路芯片，如精工技术有限公司（SII）的S-8204B (S-8204B隶属于S-8204系列，该系列的另一个产品是S-8204A。两者的区别是S-8204A配合P沟道MOSFET工作，S-8204B则配合N沟道MOSFET工作)。这类产品的特点是监控3、4节锂离子电池的充放电状态，可实现过充、过放和过电流保护。

图1 多节锂离子电池的级联

上面提到的电池保护芯片最多能保护4节锂离子电池，然而很多应用都需要5～12节锂离子电池串联工作，比如电动工具、电动自行车和UPS，此时又如何解决呢？答案很简单，就是同时使用多个锂电池保护芯片。如图1所示，两个保护芯片串联在一起，由2个N沟道MOSFET做控制开关，可以保护8节锂离子电池，三个保护芯片串联在一起，就保护了12节锂离子电池。这种多保护芯片的串联就是保护芯片的“级联”。以S-8204B为例，两个S-8204B联合使用，用2个N沟道MOSFET在低压侧端进行控制，这样通过单颗IC可选3节和4节的功能就可以实现对6～8节串联锂离子电池的保护。如果是5节锂离子电池串联，则可以使用一个S-8204B与其他锂离子电池保护芯片串联，实现保护功能。这种多保护芯片的灵活组合，可以完成对任意数目锂离子电池的保护。

图2 锂离子电池过充电时的保护电路工作原理图

图3 锂离子电池过放电时的保护电路工作原理图

另外，对充放电过程的温度控制也是许多设计者需要考虑的。在高温的时候对锂离子电池充放电，会有爆炸的危险；在低温的时候充放电，会对电芯造成损害。在上面的方案中，在S-8204B的CTLC端子外接一温度控制开关（如S-5841），在锂离子电池充电过程中温度过高时，温控开关的控制信号通过CTLC端子送给COP，强行结束锂离子电池的充电过程。同样，在CTLD端子外接温度控制开关，则能对放电过程进行温度保护。市场上还有单芯片的多节锂电池充电保护解决方案，像Intersil公司的ISL9208，就可以实现对7节锂离子电池的充电保护。对比多芯片串联的方案，单芯片解决方案的优点是电路简单、比较容易实现较好的电气性能，不过能监控的电池数量有限，且价格较贵。采用多芯片的级联方式，如S-8204系列，则不存在这种数量上的限制，其电路构成灵活成本也不高，但缺点是外围电路相对复杂，对外围元件的匹配程度要求较高。

不过，随着技术的进步，相信这两种方案终会找到一个契合点。