【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 單節鋰電池
保護電路要能實現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方案圖
2 鋰電池保護電路總體實現方案
鋰電池組的保護電路實現方案如圖3所示，由2塊電路板組成。保護板1用于監視各級鋰電池電壓，通過保護IC產生保護信號，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)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，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引腳將變為高阻，CTLC將被內部上拉電阻上拉，導致S1的CO引腳變為高阻，進而控制驅動電路將充電MOSFET組關斷。
通過級聯控制方式可以實現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，且DO輸出高阻，直至電壓高于VDU退出。級聯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
由于鋰電池在生產過程存在著個體差異，無法確保其內阻、容量等參數的一致，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。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，直至電壓低于VBL才退出。
在級聯控制方式下，后級電池的過放電狀態將通過DO引腳反映至前級，當第3級電池電壓低于VDL時，S3將進入過放電狀態，S2，S1在CTLD引腳的控制下也將進入過放電狀態。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，實現放電電量平衡功能，直至電壓低于VDL為止。
保護IC級聯控制方式可以使后級的過放電狀態反映至前級，進而實現前級的放電電量平衡功能，然而前級的過放電狀態卻無法反映至后級。為使前級過放電狀態能反映至后級，設計了過放電狀態通信電路，如圖6所示。
圖6 過放電狀態通信電路
正常狀態下Q11，Q12導通，S10的CTLD引腳被拉低，S10不受級聯控制影響，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，級聯控制方式將使所有保護IC均進入過放電狀態，因此電壓高于于VDL的電池組都將實現放電電量平衡，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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