鋰離子電池是一種應用廣泛的可充電電池，它具有單體工作電壓高、體積小、重量輕、能量密度高、循環(huán)使用壽命長(cháng)，可在較短時(shí)間內快速充足電以及允許放電溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。此外，鋰離子電池還有自放電電流小、無(wú)記憶效應和無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。其全球供貨量正在持續增加。根據市場(chǎng)調研公司的報告，07全年鋰離子可充電電池的全球供貨量比上年增加了17%。而隨著(zhù)鋰離子電池的使用面的擴大，對鋰離子電池的充放電保護就顯得愈發(fā)重要。
鋰離子電池的保護
鋰離子電池供電設備的**性是人們目前zui為關(guān)注的問(wèn)題，所以對其的保護就非常重要。鋰離子電池的保護主要包括過(guò)充電保護、過(guò)放電保護、過(guò)電流及短路保護等。
1 過(guò)充電保護
當充電器對鋰離子電池過(guò)充電時(shí)，為防止因溫度上升所導致的內壓上升，需終止充電狀態(tài)。為此，保護器件需監測電池電壓，當其到達電池過(guò)充電壓時(shí)，即激活過(guò)充電保護功能，中止充電。
2 過(guò)放電保護
為了防止鋰離子電池的過(guò)放電狀態(tài)，當鋰離子電池電壓低于其過(guò)放電電壓檢測點(diǎn)時(shí)，即激活過(guò)放電保護，中止放電，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機模式。
3 過(guò)電流及短路保護
當鋰離子電池的放電電流過(guò)大或短路情況產(chǎn)生時(shí)，保護器件將激活過(guò)電流保護功能。
多節鋰離子電路的保護
單體鋰離子電池的額定電壓為3.6V，不能滿(mǎn)足高電壓供電場(chǎng)合的需要，因此就需要多節鋰離子電池串聯(lián)使用。為此，各有關(guān)電源管理控制生產(chǎn)廠(chǎng)商紛紛推出了自己的多節鋰離子電池（電池組）保護集成，如精工技術(shù)有限公司（SII）的S-8204B （S-8204B隸屬于S-8204系列，該系列的另一個(gè)產(chǎn)品是S-8204A。兩者的區別是S-8204A配合P溝道MOSFET工作，S-8204B則配合N溝道MOSFET工作）。這類(lèi)產(chǎn)品的特點(diǎn)是監控3、4節鋰離子電池的充放電狀態(tài)，可實(shí)現過(guò)充、過(guò)放和過(guò)電流保護。
以S-8204B為例，它能對各節鋰離子電池的電壓進(jìn)行高精度檢測，具有3段過(guò)電流檢測功能，通過(guò)外接電容可設置過(guò)充電檢測延遲時(shí)間、過(guò)放電檢測延遲時(shí)間、放電過(guò)電流檢測延遲時(shí)間1和放電過(guò)電流檢測延遲時(shí)間2，還能通過(guò)SEL端子切換3/4節鋰離子電池串聯(lián)使用。不過(guò)，它zui大的特點(diǎn)是可以級聯(lián)使用，下節將對S-8204B的這一功能進(jìn)行詳細說(shuō)明。
保護芯片級聯(lián)
上面提到的電池保護芯片zui多能保護4節鋰離子電池，然而很多應用都需要5～12節鋰離子電池串聯(lián)工作，比如電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)和UPS，此時(shí)又如何解決呢？答案很簡(jiǎn)單，就是同時(shí)使用多個(gè)鋰電池保護芯片。如圖1所示，兩個(gè)保護芯片串聯(lián)在一起，由2個(gè)N溝道MOSFET做控制開(kāi)關(guān)，可以保護8節鋰離子電池，三個(gè)保護芯片串聯(lián)在一起，就保護了12節鋰離子電池。這種多保護芯片的串聯(lián)就是保護芯片的“級聯(lián)”。以S-8204B為例，兩個(gè)S-8204B聯(lián)合使用，用2個(gè)N溝道MOSFET在低壓側端進(jìn)行控制，這樣通過(guò)單顆IC可選3節和4節的功能就可以實(shí)現對6～8節串聯(lián)鋰離子電池的保護。如果是5節鋰離子電池串聯(lián)，則可以使用一個(gè)S-8204B與其他鋰離子電池保護芯片串聯(lián)，實(shí)現保護功能。這種多保護芯片的靈活組合，可以完成對任意數目鋰離子電池的保護。
下面，詳細介紹一下保護芯片級聯(lián)的具體工作情況。還是以S-8204B為例，其CTLC端子可由芯片外部控制COP端子的輸出電壓、而CTLD端子則可由芯片外部控制DOP端子的輸出電壓。通過(guò)CTLC端子以及CTLD端子可以分別單獨控制COP端子與DOP端子的輸出電壓。并且，這些控制功能優(yōu)先于芯片內部的電池充放電保護功能。如果8節電池中的某一節電池發(fā)生過(guò)充，與該電池相連接的S-8204B的COP端子輸出電壓會(huì )發(fā)生變化，該電壓變化會(huì )傳遞到與其相連接的另一個(gè)S-8204B的CTLC端子，使得另一個(gè)S-8204B的COP端子輸出電壓也發(fā)生變化，從而控制充電控制用MOSFET關(guān)斷，實(shí)現鋰離子電池的過(guò)充電保護。如果8節電池中的某一節電池發(fā)生過(guò)放電時(shí)，則由與該電池相連接的S-8204B的DOP端子向另一個(gè)S-8204B芯片的CTLD端子發(fā)出過(guò)放信號，改變其DOP端子的狀態(tài)，zui終使得放電控制用MOSFET關(guān)斷，結束放電。圖2給出了采用兩個(gè)S-8204B實(shí)現過(guò)充電保護的電路工作原理圖（在N溝道MOSFET控制情況下），圖3是過(guò)放電保護工作原理圖。
充放電時(shí)的溫度控制
另外，對充放電過(guò)程的溫度控制也是許多設計者需要考慮的。在高溫的時(shí)候對鋰離子電池充放電，會(huì )有爆炸的危險；在低溫的時(shí)候充放電，會(huì )對電芯造成損害。在上面的方案中，在S-8204B的CTLC端子外接一溫度控制開(kāi)關(guān)（如S-5841），在鋰離子電池充電過(guò)程中溫度過(guò)高時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)的控制信號通過(guò)CTLC端子送給COP，強行結束鋰離子電池的充電過(guò)程。同樣，在CTLD端子外接溫度控制開(kāi)關(guān)，則能對放電過(guò)程進(jìn)行溫度保護。
結語(yǔ)
市場(chǎng)上還有單芯片的多節鋰電池充電保護解決方案，像Intersil公司的ISL9208，就可以實(shí)現對7節鋰離子電池的充電保護。對比多芯片串聯(lián)的方案，單芯片解決方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、比較容易實(shí)現較好的電氣性能，不過(guò)能監控的電池數量有限，且價(jià)格較貴。采用多芯片的級聯(lián)方式，如S-8204系列，則不存在這種數量上的限制，其電路構成靈活成本也不高，但缺點(diǎn)是外圍電路相對復雜，對外圍元件的匹配程度要求較高。
不過(guò)，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，相信這兩種方案終會(huì )找到一個(gè)契合點(diǎn)。