【導讀】鋰電池的使用要求不能過充電、過放電、過電流，否則將降低電池壽命，嚴重時會導致電池爆炸。因此，需要設計一款專用保護電路對每節(jié)電池進行管理，以保證鋰電池的正常充放電。本文將完成一款電動自行車鋰電池保護電路的研究與設計。
1 設計需求
單個鋰電池型號為RFE—N18650，如圖1所示，標稱電壓為3.6V。鋰電池組采用4并10串的結構，如圖2所示，標稱電壓為36V，標稱容量為9Ah。該鋰電池組的保護要求為：充電上限電壓43V，放電截止電壓27V。
圖1 單節(jié)鋰電池
保護電路要能實現(xiàn)對每級電池的充放電保護，要求如下：
(1)每級電池充電電壓≤4.3 V；
(2)每級電池放電電壓≥2.7 V。
鋰電池組工作過程中，還需實現(xiàn)以下功能：
(1)負載短路保護；
(2)躲避電動機的瞬時啟動電流；
(3)鋰電池組各級電壓在充放電過程中能保持基本均衡。
圖2 鋰電池組串級結構示意圖
圖3 鋰電池組保護電路實現(xiàn)方案圖
2 鋰電池保護電路總體實現(xiàn)方案
鋰電池組的保護電路實現(xiàn)方案如圖3所示，由2塊電路板組成。保護板1用于監(jiān)視各級鋰電池電壓，通過保護IC產(chǎn)生保護信號，例如禁止充電、禁止放電等；保護板2接收來自保護板1的控制信號，并驅動充、放電回路(深色線指示)的通斷。EB+／EB-可以連接負載或充電器。
3 各部分電路的研究與設計
3．1 充、放電驅動電路
充、放電驅動電路采用兩組MOSFET實現(xiàn)控制：充電MOSFET(Q1，Q3，Q5)和放電MOSFET(Q2，Q4，Q6)。Q1～Q6均為增強型N溝道MOSFET，Id=60 A，由于此處開斷頻率并不高，直接采用3個MOSFET并聯(lián)即可，用以增大電流驅動能力。當保護板1檢測過充電時，將控制充電MOSFET組關斷，此時電流無法再從Bat10-流向EB-，將禁止充電。但是，由于MOSFET的DS級兩端存在寄生二極管，此時電流還是能從EB-流向Bat10-，實現(xiàn)帶載放電功能。同理，當保護板1檢測過放電時，將控制放電MOSFET組關斷，此時電流無法從EB-流向Bat10-，無法放電，但仍可正常充電。
圖4 充、放電驅動電路
圖5 前三級保護電路
[page]3．2 保護控制電路
此次保護IC采用了精工公司的S-8209A芯片，內置高精度的電壓檢測和延時電路，同時具有通信(級聯(lián))和電量平衡功能。
圖5摘取了保護板1中前三級(1～3級)保護電路，6～10級保護電路與此相似。所選取的芯片技術指標如表1所示，對于過充電、電平衡和過放電功能都有其檢測和解除電壓，以確保各狀態(tài)的可靠進入和退出。
(1)過充電保護
S-8209A在檢測電池兩端電壓高于VCU或充電控制引腳CTLC為高電平時，都將進入過充電狀態(tài)，且CO輸出高阻，直至電壓低于VCL退出。以第2級為例，當S2檢測到第2級鋰電池電壓高于4．25 V時，CO引腳將變?yōu)楦咦瑁珻TLC將被內部上拉電阻上拉，導致S1的CO引腳變?yōu)楦咦瑁M而控制驅動電路將充電MOSFET組關斷。
通過級聯(lián)控制方式可以實現(xiàn)任何一級鋰電池過充時都將充電回路關斷的效果。
表1
(2)過放電保護
與過充電相似，S-8209A在檢測電池兩端電壓低于VDL或放電控制引腳CTLD為高電平時，將進入過放電狀態(tài)，且DO輸出高阻，直至電壓高于VDU退出。級聯(lián)控制方式下任一級鋰電池過放時都將使放電MOSFET組關斷。
(3)充、放電電量平衡
由于鋰電池在生產(chǎn)過程存在著個體差異，無法確保其內阻、容量等參數(shù)的一致，因此在充放電過程中各鋰電池的充放電速率、電壓也就無法保證完全相同。電壓的不平衡常導致部分電池充電無法充滿，放電無法放盡，嚴重影響鋰電池的使用壽命。
S-8209A具有充電、放電電量均衡功能。如圖5所示，以第3級電池為例，當該級電壓優(yōu)先高于VBU時，S3的CB引腳將驅動外部MOSFET(Q3)接通一個100 Ω電阻，該電阻對流入第3級電池的充電電流進行旁路，以降低其充電速率，從而保證各級電池電壓處于較精準的均衡狀態(tài)。當任何一級電壓高于VBU時，該級保護IC都將進入充電電量均衡狀態(tài)，直至電壓低于VBL才退出。
在級聯(lián)控制方式下，后級電池的過放電狀態(tài)將通過DO引腳反映至前級，當?shù)?級電池電壓低于VDL時，S3將進入過放電狀態(tài)，S2，S1在CTLD引腳的控制下也將進入過放電狀態(tài)。如果此時1，2級電池的電壓都高于VDL，則S2，S1將分別驅動Q1，Q2導通，兩級電池各通過100 Ω電阻放電，實現(xiàn)放電電量平衡功能，直至電壓低于VDL為止。
保護IC級聯(lián)控制方式可以使后級的過放電狀態(tài)反映至前級，進而實現(xiàn)前級的放電電量平衡功能，然而前級的過放電狀態(tài)卻無法反映至后級。為使前級過放電狀態(tài)能反映至后級，設計了過放電狀態(tài)通信電路，如圖6所示。
圖6 過放電狀態(tài)通信電路
正常狀態(tài)下Q11，Q12導通，S10的CTLD引腳被拉低，S10不受級聯(lián)控制影響，當任何一級電池過充電時，圖4中的放電MOSFET組將被關斷，此時如果電池組仍接負載，EB-電位與Batl+相同，Q11，Q12關斷，CTLD被內部電阻上拉，S10也進入過放電狀態(tài)，級聯(lián)控制方式將使所有保護IC均進入過放電狀態(tài)，因此電壓高于于VDL的電池組都將實現(xiàn)放電電量平衡，直至接入充電器或電壓低于VDL。
(6)短路保護
負載短路保護采用了15 A規(guī)格的鉛類保險絲FUSE，位置如圖4所示，斷開時將切斷放電回路。采用鉛類保險絲一方面是由于負載工作電流較大，電路板要求尺寸較小，無法采用專用熔斷器；另一方面是因為直流電機在啟動瞬間瞬時電流可達額定電流的10～20倍，鉛類保險絲可以躲過瞬時的大電流。
(7)延時保護
為使電壓的檢測、解除更為可靠、穩(wěn)定，保護IC提供了延時保護功能。在最前級芯片S10的CDT引腳處接入電容C11(0．01μF)，可產(chǎn)生tDET=10．0×0．01=0．1 s的檢測延時，當任何保護達到檢測電壓時，均需延遲tDET后方可動作；此外，還有解除延時時間tREL，tREL=tDET ／10=0．01 s，當任何保護達到解除電壓時，也需延遲tREL才能動作。
4 PCB設計
電路板被劃分成兩塊：控制電路板(保護板1)和驅動電路板(保護板2)。檢測電路被布置于保護板1中，由10片S-8209A及其外圍電路組成，電流小，功耗低，抗干擾能力要求較高；電流回路驅動被布置于保護板2中，由充、放電MOSFET組及保險絲組成，要求能夠通斷大電流，功耗大，開關器件產(chǎn)生的干擾也較大。通過對兩大功能進行分離、合理布線、覆銅，最終成品如圖7和圖8所示。
圖7 系統(tǒng)總體框圖
完整有效的保護電路保障鋰電池組的使用壽命更長、更安全、更可靠。
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