智能型锂电池保护电路的设计与实现.docx

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智能型锂电池保护电路的设计与实现

智能型锂电池保护电路的设计与实现

摘要

锂离子电池因储能容量大、使用寿命长、清洁环保、能量体积比大等众多优点，所以在各行各业被广泛使用，逐渐成为了电池的主流产品。

然而因锂电池的能量密度高，也使得难以确保其安全性，所以需要相匹配的电池保护电路来确保电池以及使用设备的安全。

本文介绍了通过锂离子电池的充放电特点设计一种支持多种规格锂电池及电池组的保护电路的详细过程。

本文以锂电池的充放电特点作为研究主体，详细阐述了作者在学士学位论文工作期间对锂电池充放电过程中对其保护的研究与设计。

介绍了锂电池的特点以及其保护电路的发展现状及趋势，其次说明了锂电池的充放电的概念、原理、制定目标设计参数以及保护电路的设计过程、实现方法。

设计过程中，首先提出三种可行性方案，并通过理论分析进行方案筛选，确定由精工电子的电源管理芯片S-8209为核心构成的设计方案。

然后通过对S-8209进行Pspice建模并仿真，验证其功能并为设计方案提供理论基础。

然后绘制电路图，并施以改进优化设计方案。

最后进行锂电池保护电路的调试，并对毕业设计期间的工作作出总结。

关键词：

锂电池保护电路电池组Pspice建模S-8209

TheDesignandImplementationOfIntelligentLithium-ionBatteryProtectionCircuit

Abstract

Lithium-ionbatteryiswidelyusedinalmostallwalksoflife,becauseofitslargecapacity,longusefullife,environmentfriendlyandlargevolumeratioofenergy.Itisbecomingthemainstreamproductsofbattery.Butitshighvolumeratioofenergyisalsotheunstablecautionofsecurity.Soitisnecessarytomatchthebatteryprotectioncircuitrytoensurethesafetyofthebatteryandtheequipmentofusingthebattery.

Thisarticledescribestheadoptionoflithium-ionbatterychargeanddischargecharacteristicsofavarietyofspecificationstodesignalithiumbatterygroupandbatteryprotectioncircuit.

Inthispaper,thechargeanddischargecharacteristicsoflithiumbatteryasaresearchsubjectduringtheprocess.Thisarticleintroducesthecharacteristicsoflithiumbatteryanditsprotectioncircuitdevelopmentandtrend,followedbyshowstheprinciplesoflithiumbatterychargeanddischarge.Andthenmakethedesignsettings.Duringthedesignprocess,firstlyproposedvariousofdesignoptions.Throughtheoreticalanalysistodeterminetheprogram,selectedSeikoelectronicpowermanagementICS-8209toachievethedesign.ThencarriedoutontheS-8209Pspicemodelandsimulationtoverifyitsfunctionalityandprovideatheoreticalbasisforthedesign.Thendrawthecircuitdiagram,andhelpingtoimproveoptimizationdesign.Finally,debugthelithiumbatteryprotectioncircuitandsummarymyworkduringthegraduationproject.

Keywords:

Lithium-ionbatteryBatteryprotectioncircuitPspice-modeling

Lithium-ionbatterygroupS-8209

1绪论

1.1课题研究背景

锂离子电池因储能容量大、使用寿命长、清洁环保、能量体积比大等众多优点，所以在各行各业被广泛使用，逐渐成为了电池的主流产品。

然而锂电池的能量密度高，也使得电池的安全性难以得到确保。

锂电池的过度充电（以下简称“过充”）、过度放电（以下简称“过放”）和电池组间的电量不平衡都会导致电池的内部耗损加速，使用寿命减短。

锂电池过充甚至可能造成锂电池爆炸造成人员伤亡和财产损失的事故。

所以需要相匹配的电池保护电路来确保电池以及使用设备的安全。

图1.1六串锂电池组示意图

现在市场上虽然锂电池保护电路很多，但大多都是只能应用于小型锂电池的保护，功能单一且只适用于个别型号的电池，比如手机、相机用的单节锂电池。

在某些需要保护功能全面或是需要同时多节电池充放电的情况下，比如多芯锂电池、动力型锂电池，那些功能单一的保护电路就无法使用了。

对于输出电流、电压值都比较大的动力锂电池磷酸铁锂电池，市场上已有的保护电路并不多。

而关于锂电池组的保护电路则更少了，且这些锂电池组保护电路支持的电池串数较少（一般不多于6串），这就使得其对大型锂电池组的保护力不从心了。

基于此种情况，就需要一种功能全面且基本适用于各种型号及类型的锂电池甚至是锂电池组的保护电路系统。

这种保护电路需要具备过充保护、过放保护、电量平衡保护、过流保护等功能、支持6串以上的电池组使用且可以扩展，根据其扩展性可让电路适用于更多的使用环境。

并且基于这种扩展性可以使此电路作为锂电池保护电路的开发模板，以其为蓝本通过更改参数及更换不同功率的器件设计出同类型的衍生电路。

1.2课题的研究方向和发展前景

1.2.1锂电池保护电路的现状

目前市场上已有的各种锂电池保护电路的类型有两种，一种是使用分立元件，另一种是使用专业的电池管理检测芯片。

使用分立元件制作而成的保护电路成本低廉，但是检测精度普遍不高，约在200毫伏左右；分立元件的集成度较低，造成整体电路体积过大；而且分立元件制成的锂电池保护电路考虑到稳定性的问题，一般不带有电量平衡保护部分，这些都使得分立元件的保护电路适用范围减小。

其诸多的缺点使得其、它只能适用于低端产品市场，而对于相对高端的电子产品则很少使用这种类型的保护电路。

图1.2TSSOP封装图

使用专业电池管理IC的话虽然成本偏高一些，但是可以保证较高的精度，精度高的可以达到50mv以下；且集成度高，使用TSSOP或更高等级封装芯片构成的单节保护电路可做到指甲盖大小，其封装大小见图1.2；现在电池充放电管理的芯片在市场占有上基本是精工电子一家独大，占绝大部分市场，其产品功能全面，S-8209、S-8254、S-8211等都具有过放保护、过充保护、电量平衡保护的功能。

1.2.2锂电池保护电路的发展前景

锂电池保护电路未来的发展将以提高侦测电压的精度、降低保护IC的功耗及包装成本、整合MOS、改进误动作防止功能等，同时充电器连接端子的高耐压化也是开发的重点。

对于锂电池保护芯片的封装，目前已由SOT23渐渐的朝向SON，将来还有CSP的封装，甚至COB封装产品的出现，用以满足现在所强调的轻薄短小的需求。

当然，功能组件单晶化是一致的目标，如目前行动电话制造商都朝向将保护IC、充电电路、电源管理IC等外围电路集成单芯片，与逻辑IC构成双芯片的芯片组。

但目前要使PowerMOS管的开路阻抗降低使其与其它IC合组，即使以特殊技术制成单芯片成本也将会过高。

因此，锂电池保护芯片的单晶化将需一段时间来解决。

锂电池保护电路的整体体积也会随着保护芯片封装的改进而越来越精巧，适用于更多的精密仪器。

1.3选题的目的和意义

锂电池保护电路是应用锂电池所必须的电路部分，缺少了保护电路的使用，锂电池将缩短使用寿命、造成安全隐患、损毁用电设备，所以设计并制作一个高效稳定的锂电池保护电路是有着实际意义的。

由于目前市场上还没有推出功能齐全、功能可扩展且支持电池组串数超过6串的锂电池保护电路，所以设计并制作出这样一个锂电池保护电路具有一定的创新性。

而且由于功能齐全，所以可以根据实际需要通过更改电路参数或器件类型来开发出新的型号。

又因为它的可扩展性，可以根据电池组的串数组合出符合要求的保护电路。

正是因为设计并制作出这样一种锂电池保护电路具有研究和实际应用的价值，所以我选择这个题目作为我的毕业设计。

通过制锂电池保护电路可以加深对电源技术、电力电子技术等知识理解和掌握。

在制作过程中，培养个人独立思考问题和解决问题的能力，为今后工作做好技术储备。

1.4设计要求

类型

功能

项目

参数

精度

保

护

功

能

过充保护

过充保护电压（V）

4.25

±50（mV）

过充保护延时（mS）

＜1000

±50（mS）

过充保护解除电压（V）

4.10

±100（mV）

过放保护

过放保护电压（V）

2.5

±100（mV）

过放保护延时（mS）

＜100

±50（mS）

过放保护解除电压（V）

2.6

±100（mV）

过流保护

过流保护值（A）

1

±50（mA）

过流保护延迟（mS）

＜500

±100（mS）

过流保护恢复条件

断开负载

短路保护

短路保护值（A）

2

±1（A）

短路保护延迟（uS）

＜200

±100（uS）

短路保护恢复条件

断开负载

均衡保护

均衡电流（mA）

500

±60（mA）

均衡开启电压（V）

4.20

±50（mV）

均衡精度（mV）

50

±50（mV）

表1.1各种保护功能的设计参数要求

如表1.1所示，列出了过充保护、过放保护、过流保护、短路保护、电量均衡保护的具体执行阀值和精度的要求。

其中过充保护、过放保护、电量均衡保护的精度是根据所选芯片决定的。

表1.2锂电池及充电器性能参数

BL-5C型锂电池

充电电压（V）

充电电流（mA）

电池容量（mAh）

4.2

≤1000

970

万能型充电器

输出电压（V）

输出电流（mA）

充电时间（h）

4.2

≤300

3.5

图1.3（a）BL-5C锂电池的充电特性曲线

图1.3（b）BL-5C锂电池的放电特性曲线

测试时电池使用NokiaBL-5C型手机锂电池，充电器选用与其匹配的万能型充电器，其具体参数见表1.2，BL-5C的充放电特性见图1.3（a）及1.3（b），此图源于三洋能源有限公司测试组。

根据设计要求，组成电路所选择的元件的耐压值