标签: 电池保护

锂离子充电电池组是遥控汽车、智能机器人、无人机、吸尘机等的核心动力，电池保护是系统安全运行关键。本方案使用外接电流检测电阻实现高精度过电流保护，可用于锂离子可充电电池组、锂聚合物可充电电池组。 方案特点 本方案基于S-82A2A基于电池保护芯片，可为2节锂离子电池串联应用提供高精度过流保护。即使充放电电流值较大，也能实现高精度的过电流检测和过热保护，有助于提升智能手机和其他快速充电产品的便利性，同时实现更高的产品安全性。主要特点包括： （1）通过使用外接电流检测电阻，实现了受电池电压和温度变化影响较小的高精度过流保护。 （2）充放电过电流检测电压精度达±1.0mV，在降低电流检测电阻的同时减少了过电流检测的变化范围。 （3）充放电控制功能支持通过外部信号停止电池组的充放电操作，并且可以通过连接至PTC热敏电阻提供过热保护功能。 （4）省电功能启动后可停止电池放电，同时将保护IC的电流消耗降至最多50nA，使电池工作时所消耗的电流降至几乎为零。 2节锂离子电池保护方案额定值 本方案通过监视连接在VDD端子－VC端子间、VC端子－VSS端子间的电池电压以及VINI端子－ VSS端子间电压，来控制充电和放电。 电池电压在过放电检测电压（VDL）以上、过充电检测电压（VCU）以下的范围、VINI端子电压在充电过电流检测电压（VCIOV）以上、放电过电流1检测电压（VDIOV1）以下的范围时，充电控制用FET和放电控制用FET都为ON。这种状态称为通常状态，可自由的进行充放电。 2节锂离子电池保护方案原理图 当常态下的电池电压在充电过程中超过VCU，且这种状态保持在过充电检测延迟时间（tCU）以上的情况下，充电控制用FET为OFF，会停止充电，这种状态称为过充电状态。过充电状态的解除，分为如下的2种情况： （1）如果VM端子电压在低于0.35V（典型值）的情况下，当电池电压降低到过充电解除电压（VCL）以下时，即可解除过充电状态。 （2）如果VM端子电压在0.35V（典型值）以上的情况下，当电池电压降低到VCU以下时，即可解除过充电状态。 当常态下的电池电压在充电过程中超过VCU，且这种状态保持在tCU以上的情况下，充电控制用FET为OFF，会停止充电，这种状态称为过充电状态。当VM端子电压在0.35V（典型值）以上，并且电池电压降低到VCU以下时，即可解除过充电状态。 当常态下的电池电压在放电过程中降低到VDL以下，且这种状态保持在过放电检测延迟时间（tDL）以上的情况下，放电控制用FET为OFF，会停止放电。这种状态称为过放电状态，此时没有连接RVMS。 在过放电状态下，由于本IC内部的VDD端子－VM端子间可通过RVMD来进行短路，因此VM端子会因RVMD而被上拉。在过放电状态下如果连接充电器，当VM端子电压降低到0V（典型值）以下时，电池电压在VDL以上，解除过放电状态。VM端子电压不低于0V（典型值）时，电池电压在过放电解除电压（VDU）以上，解除过放电状态。 方案还设定有充电过电流状态、充放电禁止状态、节电状态、允许向0V电池充电、禁止向0V电池充电等状态，各种检测延迟时间是将约4kHz的时钟进行计数之后而分频计算出来的。 芯齐齐BOM分析 除了S-82A2A电池保护芯片，方案还采用了2个N沟道MOSFET，两个旁路电容和5个电阻器，BOM元器件总数10个。 其中，S-82A2A IC采用SNT-8A封装，内置高精度电压检测电路和延迟电路，是用于锂离子 / 锂聚合物可充电电池的保护IC，最适合于对2节串联锂离子 / 锂聚合物可充电电池组的过充电、过放电和过电流的保护。 方案BOM表之外接元器件及要求 本方案中的两个FET由用户根据终端应用确定，其阈值电压应低于实测的过放电检测电压。否则，有可能导致在过放电检测之前出现停止放电的情况。 BOM表中的过充电检测电压精度由R1 = 100Ω保证，R1应该在100-150Ω之间，连接其他数值的电阻会降低检测精度。电容器C1、C2选择X7R 二类陶瓷电容器或MLCC。

锂离子电池是目前市场上的主流可充电电池，具有充放电速度快，放电温度范围宽，自放电电流小，无记忆效应，无环境污染等特点。通过不同形式的组合，电池组可为电动工具、无绳真空吸尘器、机器人吸尘器、无人机、ESS、UPS、工业设备等应用提供电源，这就需要采用专业设计的锂离子电池充放电保护方案。 锂离子电池的保护 锂离子电池的保护重要包括过充电保护、过放电保护、过电流及短路保护等。对锂离子电池充电时，如果容量达到限定就需终止充电状态，以防止过充而产生意外。为此，保护器件需监测电池电压，达到电池过充电压时激活过充电保护功能，中止充电过程。 图1 . 多节电池串联用保护电路拓扑 同样，当锂离子电池电压低于过放电电压检测点时，即刻激活过放电保护，中止放电状态，并将电池保持在低静态电流的待机模式。 在充放电过程中，如果锂离子电池的放电电流过大或出现短路情况，保护器件将激活过电流保护功能。 由于单体锂离子电池的额定电压为3.6V，不能满足医疗、工业和IT设备的供电要求，要将多节锂离子电池串联使用，这就需要采用多节锂离子电池（电池组）保护芯片级联方案。 保护芯片级联方案 为了让3～12节锂离子电池串联工作，电源管理方案厂商开发了各种多节锂离子电池（电池组）保护芯片。例如，S-8245A/C系列保护IC直接控制外部FET，以保护电池免于发生过充电或过放电。除常见的过充电、过放电以及过流保护功能外，该IC还具有超温保护功能，使得电路配置更为安全，其省电功能可预防暗电流在运输过程中造成电池组容量损失。 S-8245A/C系列的串联功能可为6芯或6芯以上的电池配置保护电路，以适应各种应用。该系列过充检测电压精度为±20mV，功耗低，最高值仅为20uA。开关管脚可用于保护3、4或5芯串联电池。 如果为10节串联的锂离子电池充电，可采用S-8245A系列设计成充放电路径通用型电路方案（图2），也可采用S-8245C系列设计成充放电路径分离型电路方案（图3）。 图2 . 采用S-8245A的10节电池串联用保护电路 图3 . 采用S-8245C的10节电池串联用保护电路 图2和图3中，两个保护芯片串联在一起，由2个N沟道MOSFET做控制开关，保护10节锂离子电池。这里，D1防止给CO端子施加VDD以上的电压，FET1防止给VM端子施加VDD以上的电压。 芯齐齐BOM分析 芯齐齐BOM工具显示，方案核心芯片S-8245A/C具有超温保护功能，可监测四种类型的温度，省电功能可解决暗电流造成的电量消耗。该IC由ABLIC开发，采用24引脚SSOP封装。 图4 . 10节电池串联用保护电路BOM表 BOM表中的三个MOS管均为N沟道FET，CFET作为充电快关，DFET用作放电开关。两个用于过热保护的NTC热敏电阻电阻值(25℃)为10kΩ±1%，最大电压5V，最大工作电流0.1mA，工作温度范围-40℃ to 125℃。

　 　1、引言 　　近年来，便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。锂离子电池由于其具有高能量密度、长寿命、低自放电率、无污染等特性，迅速成为市场的主流电池产品。为了防止电池出现过充电或过放电状态、保证电池的安全性能和避免出现电池特性恶化现象，必须在锂离子电池组中安装保护电路 。同时要锂电池能够稳定可靠的为设备提供能量，对于电池的智能检测与监控是必须考虑的环节。锂电池供电是现代便携式设备最合适的供电方案，但其充放电安全性不如镍铬电池、镍氢电池及普通一次性干电池的传统电源 。如果充放电方法不对，将会导致锂电池发生安全问题，甚至爆炸，故锂电池有必要加入监控电路以实时监控充放电过程 。本文以珠海炬力SOC芯片ATJ2085来设计锂电池的外围检测系统，该设计方案以微处理器作为各种功能控制的核心, 除了对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外, 还可有效的对锂离子电池组内各单节锂电的充、放电提供平衡保护、能够实时检测出电池所处状态并对锂电池进行保护。 　　 2、ATJ2085的电池监测的功能的使用 　　ATJ2085为LQFP封装，64针脚，采用内嵌式的M CU和24-bit DSP双处理器体系结构，分别完成针对操作事件控制和多媒体数据编/解码算法的系统级优化，通过数模混合信号技术，在单一硅片上集成了高精度ADC/DAC转换器、USB控制器，实时时钟RTC等。支持USB2.0(FULLSPEED)，支援MP3/WMA/WAV/WMV/ASF等格式媒体播放；支持MTV电影播放；支持JPG、GIF、BMP图片浏览。其系统集成度高，外围应用电路简单，拥有功能完善而成熟的开发工具和环境。 　　在ATJ2085中，电池电压从电池电压检测引脚VBATPIN输入，VBAT的电压范围小于3.0伏，所以无论一节碱性电池（1.5V）供电还是两节碱性电池（3.0V）供电，在外部电池供电电压小于3.0伏时外部都无需要加分压电阻。ATJ2085中有一个4bit的ADC，它把0.9-1.5伏之间的电压16等分为：0.90V，0.94V，0.98V，1.02V，1.06V，1.10V，1.14V，1.18V，1.22V，1.26V，1.30V，1.34V，1.38V，1.42V，1.46V，1.50V。当电池电压大于3.0伏供电时，BATSEL接高电平，决定了从VBATPIN脚输入的电压在比较前会被分压。并且A/D变换出来的数值会每2秒一次被记录在IO PORT(D8H).BIT 里，这样软件就可以读回IO PORT(D8H)中的值，与功能规格表（表1）中的值作比较，来确定要显示的电池电量及采取的动作。很明显ATJ2085能在更多点上监测电池电压。 　　表1   功能规格表 　　举例如下： 　　假设VL0VL1VL2VL3，电池电量显示为3格 　　选VL0=1.30V, 即IO PORT(D8H).BIT =0AH， 　　VL1=1.10V, 即IO PORT(D8H).BIT =05H， 　　VL2=0.98V, 即IO PORT(D8H).BIT =02H， 　　当VBATVL0时，电池电量显示为满格； 　　当VL0VBATVL1时，电池电量显示为缺1格； 　　当VL1VBATVL2时，电池电量显示为缺2格； 　　当VBAT 　　另外，当电池的电压低于某个电压时(假设VL2),软件把一些耗电大的电路关断（利用IO PORT控制），如DSP,DAC等等。当VBAT PIN脚上的电压低于LBD PIN脚的电压时，ATJ2085仍会被无条件复位。 　 　3、电池检测系统设计 　　3.1 电路设计 　　在本文中检测电路仅仅列出锂电池检测电路的原理图,该设计考虑到了锂电池的过压特性，于是选用SC805电池检测芯片来进行硬件电路的设计。如下图所示，电路图一部分是对于USB充电和过压的保护设计，另一部分为电池电量检测   　　图1   检测电路 　　正如ATJ2085的电池监测的功能的使用描述一样，需要在电池两端连接电阻R424和电阻R422（理想状态下电阻R424和电阻R422比值应该为1：2）来分压。但是考虑到非理想ADC的量化间隔是非等宽的，这势必导致ADC器件不能完全正确地把模拟信号转化成相应的二进制码，从而造成信噪比的下降；且ADC每个量化的二进制码所对应的量化间隔都不同，为了使设计的系统参数尽可能准确，我们需要克服微分非线性量化误差 。于是需要调整R424和R422的组值（如图1所示）。 　 　3.2 电压检测 　　ATJ2085内部有一个4 Bit非理想 ADC.作为检测电源电压之用。此4 bit ADC可以根据固件(F/W)设定的电压值，产生LB-和LBNMI-信号。对于锂电池，由于自身特性不可能使产生的电压直接可以达到0～1.5，需要利用如下公式分压： 　　将分压后的值与锂电池实际值进行对应，其电压检测如表2所示： 　　表2   锂电池电压检测表 　　通过硬件后可以将表2的值对应到表1中去通过调用以下软件流程进行处理。 　　 3.3 软件流程 　　该检测系统软件设计流程如图2所示： 　　首先清watchdog，然后通过GPIO_A0检测USB状态，接下来进行充电引脚GPIO确认并开始充电，充电时将GPIO_A0(如检测电路图)寄存器的对应位置高电平，同时利用GPIO_B6进行电池状态检测 。当需要对4位ADC寄存器读写数据时，需要设置其端口值参数，通过电池状态检测后，最后将检测到的电池参数通过显示函数显示在LCD上。 　　其初始化代码如下： 　　output8(0x4e,input8(0x4e)|0x08)//清watchdog 　 　    output8(0xee,input8(0xee)|0x01); //初始化端口参数，开始充电 　　    output8(0xf0,input8(0xf0)0xbf); 　　    output8(0xf1,input8(0xf1)|0x40); 　　                output8(0xee,input8(0xee) 0xfe); 　　                if((input8(0x50)0x40)!=0x40) 　　                if(!(input8(0xee)0x04))   //防止充电黑屏后拔掉USB不开 　 　4、结束语 　　通过该方法设计的锂电池检测系统不仅可以有效防止电池的过压、过充、过放、过温，同时可以智能监控电池的电压状态；该设计方案简单易行，稳定可靠，对于嵌入式系统的设计与研发具有一定的指导意义和实践价值。该方法的创新之处在于不管外接干电池、锂电池还是镍氢电池均可以用该电路设计方法对电池进行监控。 　 　参考文献： 　　 邓绍刚，汪艳等，锂电池保护电路的设计 ，电子科技2006年第l0期(总第205期) 　　 陆安江,张正平,唐薇, 兼容USB的便携式设备锂电池充电电路设计 ,2007年中国仪器仪表交流论文集，2007 　　 刘京南，电子电路基础 ，电子工业出版社，2003年7月 　　 上海东钜电子有限公司，现代锂电保护IC 的特点和应用 ，电子设计应用，2003 　　 李凯，张斌，一种新型智能动力锂电池组能源管理模块 ，微计算机信息 2006年第9-1期 　　 Actions ATJ2085 Data sheet Version 1.0, 2004 　　 Actions ATJ2085 Programming Guide, Version 2.7 ,2004