可充电锂电池三/四节串联保护系统设计实例详解

　锂离子可充电电池是20世纪开发成功的新型高能电池，相对于传统的镍镉电池和镍氢电池而言，具有容量大、工作电压高、工作温度范围宽、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等优点，自问世以来已广泛应用于军事和民用小型电器中，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等，部分代替了传统电池。单节锂离子电池的电压约为3．6V，容量也不可能无限大，因此，常将单节锂离子电池进行串、并联处理，以满足不同场合的要求。为了确保锂离子电池安全可靠的使用，本文介绍了一种严格、周密的充、放电保护系统的设计方案。该方案采用充电、放电分离的控制方式，具有两级单节过充电保护、单节过放电保护、两级放电过电流保护、放电短路保护、放电温度保护、充电温度保护、充电防反接保护、充电时禁止放电等功能，可适用于各种三／四节锂离子可充电电池串联使用的场合。

　　1 系统概述

　　该保护系统采用精工电子三／四节串联锂离子可充电电池专用充、放电保护ICS-8254构建一级保护。S-8254系列内置高精度电压检测电路和延迟电路，针对各节电池进行高精度电压检测，实现单节过充电保护和单节过放电保护，并具备三段过电流检测功能，通过外接电容可设置过充电检测延迟时间、过放电检测延迟时间和过电流检测延迟时间1(过电流检测延迟时间2和过电流检测延迟时间3在芯片内部被固定)。该系统采用精工电子S-8244系列内置高精度电压检测电路和延迟电路的锂离子可充电电池二级保护专用IC实现电池的单节二级充电保护，其保护延迟时间可通过外接电容的容值来设置。

　　S-8254通过SEL端子可以实现电池三节串联用或四节串联用的切换；S-8244则通过电阻R22短路第四节电池电压检测端子VCC3和VSS即可用作三节电池串联使用时的二级保护。

　　2 各保护功能的实现

S-8254系列充、放电保护电压和过电流检测电压以50mV为进阶单位，S-8244系列过充电检测电压以5mV为进阶单位，系统根据不同场合的使用需求，可以选择相应适合的型号。现以图1保护系统为例，采用S-8254AAVFT和S-8244AAPFN作为保护IC，具体说明各保护功能的实现过程。

　　图1为四节电池串联使用时的保护系统原理图。

　　2．1 过放电保护

　　通常状态下，S-8254放电控制用端子DOP为VSS(电池4的负电压)电位，放电MOS管QDISl，QDIS2处于导通状态，系统可正常进行放电工作。当检测到某节电池电压低于2．7V(VDLn)，且这种状态保持在TDL(TDL时间由过放电检测延迟端子CDT外接电容CS决定)以上时，DOP端子的电压变为VDD(电池1的正电压)电位，放电MOS管关闭，停止放电，这种状态称为过放电状态。进入过放电状态后，VMP端子电压经电阻R3由负载下拉至VDD／2以下，S-8254转为休眠状态；断开负载后，VMP端子电压经电阻R9、充电MOS管QCHRl和QCHR2由VDD上拉至VDD／2以上且低于VDD，S-8254退出休眠状态。当所有电池电压都在3．0V(VDUn)以上时，过放电状态被解除，系统恢复正常放电工作。

　　2．2 过电流、短路保护

　　该系统采用2个并联的20mΩ功率电阻RS1，RS2用于过电流检测。当放电电流大于20A时，过电流1，2检测端子VINI和VSS之间的电压差大于过电流检测电位1VI0V1(O．2V)，且这种状态保持在TIOVl(TIOVl时间由过电流1检测延迟端子CDT外接电容C3决定)以上时，DOP端子的电压变为VDD电位，放电MOS管关闭，停止放电，进入过电流1保护状态。在过电流状态下，VMP端子电压经电阻R3由负载下拉至VSS；断开负载后，VMP端子电压经IC内部RVMD电阻被上拉至过电流检测电位3VIOV3(电池1的正电压VC1～1．2V)以上，过电流状态解除，系统恢复正常放电。当放电电流大于50A时，VINI和VSS之间的电压差大于过电流检测电位2VIOV2(0．5V)，且这种状态保持在TIOV2(1ms)以上时，进入过电流2保护状态。当负载出现短路时，过电流3检测端子VMP的电压被瞬间拉至VIOV3以下(检测延迟时间TI0V3为300μs)，系统进入短路保护(过电流3保护)状态。

　　2．3 过充电保护

为了确保电池的安全性，该系统对于过充电状态采取了两级保护措施。首先，当检测到某节电池电压高于4．05V(VCU2n)，且这种状态保持在TCU2(TCU2时间由S-8244过充电检测延迟端子ICT外接电容C16决定)以上时，S-8244充电控制用端子CO输出动态“H”，二级充电MOS管QCHR2关闭，停止充电，这种状态称为过充电状态；进入过充电状态后，当所有电池电压都在3．80V(VCL2n)以下时，过充电状态解除。若因某种原因导致S-8244保护失效，则S-8254过充电保护生效，当检测到某节电池电压高于4．25V(VCUln)，且这种状态保持在TCUl(TCUl时