淺談鋰離子電池保護電路的設計

王彥萍

摘 要：對于鋰離子電池而言，通常情況下，存在著過充、過放，對電池本身及用電設備造成很大傷害。該文采用專用電池管理IC，對鋰離子電池實現過充、過放、過流保護功能，并實現串聯電池充電平衡。

關鍵詞：鋰離子電池 保護 均衡 過充 過放

中圖分類號：TM911 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（c）-0040-03

鋰原電池和鋰離子電池（簡稱鋰電池）是20世紀80年代研發成功的新型電池。鋰原電池是采取金屬鋰和鋰合金為負極。

鋰電池是以鋰離子嵌入化合物為正極，碳材料為負極的新型材料的電池。鋰離子在充放電工作過程中，實質上就是鋰離子在電池內部嵌入和脫嵌的過程，充電時，鋰離子從電池的正極經電解液回到電池的負極，放電時，鋰離子從電池的負極脫出又回到正極，在正常使用電池的情況下，鋰電池只是材料層面間距變化，晶體結構未變，改善了電池的安全性，提高循環使用次數，逐漸替代了不安全的鋰原電池。

鋰電池的優點：比能量高、具有高儲存能量密度、使用壽命長、額定電壓高、具備高功率承受力、重量輕、高低溫適應型強、綠色環保自放電率很低，這是該電池最突出的優越性之一。

鋰電池的缺點：鋰離子電池的電解液為有機溶劑，內部阻抗大；由于鈷酸鋰價格高，成本比較高；對鋰電池的過充電和過放電要采用特殊的保護電路。

從表1可以看出，鋰電池的綜合指標還是優于其他類型的電池，采用鋰電池是當前不可阻擋的趨勢。

目前鋰電池的充電方法主要是：先恒流后恒壓充電模式。其電壓和電流的變化如圖1所示，當充電器接入鋰電池開始充電時，充電器對電池先進行涓流充電（很小的電流為0.01C，C為電池容量），如果鋰電池的電壓能夠恢復到2.5 V，則電池完好可以進入恒流（0.2C）充電區，當鋰電池的電壓達到4.2 V（恒壓門限）時，電池充電過程進入恒壓區，電池電壓不斷上升，充電電流逐漸降低至0.01C時，充電結束。

鋰電池在充電過程中，鋰電池的電解質為有機溶液的分解-復合是不可逆的過程，對過程極為敏感，過充會導致正極出現過多的鋰離子，電池正極結構被破壞，超過一定限度后，電池內部的電解質溶液進行不可逆的氧化分解，產生可燃氣體放出大量熱量，電池內部熱失控，在溫度高的環境中極可能引發電池起火與爆炸。

鋰電池的充電逆過程即為放電，由表1可知鋰電池的自放電率特別低，所以鋰電池的放電過程就是鋰電池正常使用工作的過程，鋰電池放電曲線如圖2所示。

鋰電池在使用過程中，放電電流不能過大，電流過大會導致電池內部發熱，使電池電極脫離，從而使電池材料失效，對電池造成永久性傷害；不能過放電，過放電會使集流體銅放生溶解，使電池受到損壞，因此單體鋰電池的放電終止電壓不得低于2.5 V。

由以上分析可知，過充和過放都會對鋰電池和用電設備造成損傷，為了避免這種情況，要對鋰電池進行電路保護是很有必要的。

鋰離子電池保護板基本都是采用專用的電池管理IC，具有精度高，體積小，響應速度快等優點。現在較好的廠家有美上美MITSUMI、精工電子SII-IC、美信MAXIM、日本理光RICOH、臺灣富晶FORTUNE等。

由于電池本身的化學反應特性，即使同一批次的電池其本質性能也略有差別，多組電池串聯的時候會出現容量不均衡的現象，為了應對此現象，很多廠家都推出了帶電量自均衡功能的電池管理IC。在此舉例來設計一個帶自均衡功能的7串鋰電池保護板，采用精工電子的S-8209A作為主控IC，因S-8209A只具備了過充、過放、電量平衡檢測的功能，而S-8239A具有過流保護功能，因此需要兩種電路配合使用來實現對鋰電池的保護。

由表2可知，主控IC S-8029A具有過充、過放以及電量平衡檢測的功能，這些功能都是通過比較器實現，即通過檢測到的電壓與控制動作閾值相比較，從而決定輸出的高低電平。

由表3可知，S-8239具有過充檢測功能，IC內置高精度電壓檢測電路和延遲電路，可對多節鋰電池串聯進行過電流監控，實現對鋰電池的過電流保護。

在該文對7節串聯鋰電池充電保護的電路中，需要連接一些外接元器件配合主控IC S-8209和S-8239對鋰電池組實現過充、過放、過流和充電平衡的保護，如圖3所示。

電路中Cha+和Cha-分別接充電器的正負極，BAT1～BAT7代表7節鋰電池，串聯起來組成鋰電池組。主控IC S-8209通過串聯來實現對鋰電池組的過沖、過放和電路平衡的控制。電路中所采用的三極管為PNP型，MOS管為N溝道增強型管，二極管為普通單向導通硅管，二極管和MOS管組合一起保護電路不被擊穿。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的電阻來限制流入芯片的電流，VDD端只需檢測電壓值；為了使VDD端的電壓值更為精確，將0.01微發的陶瓷電容加在VDD和VSS之間濾除電路中的紋波干擾。

通常狀態下即鋰電池正常工作的時候，S-8209的VDD-VSS間電壓（VDS）比過放電電壓（VDL）高，且低于充電檢測電壓（VCU）。鋰電池在正常情況下進行充電，當電池充滿時，VDS≥VCU，S-8209的CO端子變為高阻抗，充電斷開；鋰電池工作時即鋰電池放電的情況下，當電池放電電壓低于2.0V時，VDS≤VDL，S-8209的CO端子變為高阻抗，放電停止；當給串聯鋰電池組充電時，如果串聯的鋰電池型號、使用情況、剩余電量基本相同時，因它們的充電電壓和電流是平均的，鋰電池組會在基本同步的情況下充滿，當電池型號剩余電量等均不相同的組成的鋰電池組，在充電情況不一致的情況下會觸發電量平衡保護。在充電的過程中，如果某一單個鋰電池充電完成，則與它相連接的S-8209的CB端則輸出高電平，與其連接的MOS管導通，該鋰電池通過MOS管的漏極進行微放電，直至所有鋰電池充滿，充電電路進行過充保護，電路斷開。

通常狀態的電池，當放電電流在額定值（過流）以上，S-8293的VINI端子電壓在過電流檢測以上且狀態持續了過電流檢測的延遲時間以上，且VDD端子-VM端子間電壓為過電流解除電壓以下時，保持過電流狀態，在該狀態時S-8293的VM端子視外部負載而定進行復位，結束過流狀態，實現對鋰電池的過流保護。

參考文獻

[1] 楊德才.鋰離子電池安全性[M].電子科技大學出版社，2012.

[2] 楊軍，解晶瑩，王久林.化學電源測試原理與技術[M].化學工業出版社，2006.

[3] 黃倩.鋰離子電池熱效應及其安全性能的研究[D].復旦大學，2007.