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2021-04-05
吴湛
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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
锂离子电池供电设备的安全性是人们目前最为关注的问题，所以对其的保护就非常重要。锂离子电池的保护主要包括过充电保护、过放电保护、过电流及短路保护等。
1 过充电保护
当充电器对锂离子电池过充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。为此，保护器件需监测电池电压，当其到达电池过充电压时，即激活过充电保护功能，中止充电。
2 过放电保护
为了防止锂离子电池的过放电状态，当锂离子电池电压低于其过放电电压检测点时，即激活过放电保护，中止放电，并将电池保持在低静态电流的待机模式。
3 过电流及短路保护
当锂离子电池的放电电流过大或短路情况产生时，保护器件将激活过电流保护功能。
多节锂离子电路的保护
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，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。
以S-8204B为例，它能对各节锂离子电池的电压进行高精度检测，具有3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、放电过电流检测延迟时间1和放电过电流检测延迟时间2，还能通过SEL端子切换3/4节锂离子电池串联使用。不过，它最大的特点是可以级联使用，下节将对S-8204B的这一功能进行详细说明。
保护芯片级联
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1 多节锂离子电池的级联
下面，详细介绍一下保护芯片级联的具体工作情况。还是以S-8204B为例，其CTLC端子可由芯片外部控制COP端子的输出电压、而CTLD端子则可由芯片外部控制DOP端子的输出电压。通过CTLC端子以及CTLD端子可以分别单独控制COP端子与DOP端子的输出电压。并且，这些控制功能优先于芯片内部的电池充放电保护功能。如果8节电池中的某一节电池发生过充，与该电池相连接的S-8204B的COP端子输出电压会发生变化，该电压变化会传递到与其相连接的另一个S-8204B的CTLC端子，使得另一个S-8204B的COP端子输出电压也发生变化，从而控制充电控制用MOSFET关断，实现锂离子电池的过充电保护。如果8节电池中的某一节电池发生过放电时，则由与该电池相连接的S-8204B的DOP端子向另一个S-8204B芯片的CTLD端子发出过放信号，改变其DOP端子的状态，最终使得放电控制用MOSFET关断，结束放电。图2给出了采用两个S-8204B实现过充电保护的电路工作原理图（在N沟道MOSFET控制情况下），图3是过放电保护工作原理图。
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
充放电时的温度控制
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。
结语
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。
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