【导读】锂电池的使用要求不能过充电、过放电、过电流，否则将降低电池寿命，严重时会导致电池爆炸。因此，需要设计一款专用保护电路对每节电池进行管理，以保证锂电池的正常充放电。本文将完成一款电动自行车锂电池保护电路的研究与设计。
1 设计需求
单个锂电池型号为RFE—N18650，如图1所示，标称电压为3.6V。锂电池组采用4并10串的结构，如图2所示，标称电压为36V，标称容量为9Ah。该锂电池组的保护要求为：充电上限电压43V，放电截止电压27V。
图1 单节锂电池
保护电路要能实现对每级电池的充放电保护，要求如下：
(1)每级电池充电电压≤4.3 V；
(2)每级电池放电电压≥2.7 V。
锂电池组工作过程中，还需实现以下功能：
(1)负载短路保护；
(2)躲避电动机的瞬时启动电流；
(3)锂电池组各级电压在充放电过程中能保持基本均衡。
图2 锂电池组串级结构示意图
图3 锂电池组保护电路实现方案图
2 锂电池保护电路总体实现方案
锂电池组的保护电路实现方案如图3所示，由2块电路板组成。保护板1用于监视各级锂电池电压，通过保护IC产生保护信号，例如禁止充电、禁止放电等；保护板2接收来自保护板1的控制信号，并驱动充、放电回路(深色线指示)的通断。EB+／EB-可以连接负载或充电器。
3 各部分电路的研究与设计
3．1 充、放电驱动电路
充、放电驱动电路采用两组MOSFET实现控制：充电MOSFET(Q1，Q3，Q5)和放电MOSFET(Q2，Q4，Q6)。Q1～Q6均为增强型N沟道MOSFET，Id=60 A，由于此处开断频率并不高，直接采用3个MOSFET并联即可，用以增大电流驱动能力。当保护板1检测过充电时，将控制充电MOSFET组关断，此时电流无法再从Bat10-流向EB-，将禁止充电。但是，由于MOSFET的DS级两端存在寄生二极管，此时电流还是能从EB-流向Bat10-，实现带载放电功能。同理，当保护板1检测过放电时，将控制放电MOSFET组关断，此时电流无法从EB-流向Bat10-，无法放电，但仍可正常充电。
图4 充、放电驱动电路
图5 前三级保护电路
[page]3．2 保护控制电路
此次保护IC采用了精工公司的S-8209A芯片，内置高精度的电压检测和延时电路，同时具有通信(级联)和电量平衡功能。
图5摘取了保护板1中前三级(1～3级)保护电路，6～10级保护电路与此相似。所选取的芯片技术指标如表1所示，对于过充电、电平衡和过放电功能都有其检测和解除电压，以确保各状态的可靠进入和退出。
(1)过充电保护
S-8209A在检测电池两端电压高于VCU或充电控制引脚CTLC为高电平时，都将进入过充电状态，且CO输出高阻，直至电压低于VCL退出。以第2级为例，当S2检测到第2级锂电池电压高于4．25 V时，CO引脚将变为高阻，CTLC将被内部上拉电阻上拉，导致S1的CO引脚变为高阻，进而控制驱动电路将充电MOSFET组关断。
通过级联控制方式可以实现任何一级锂电池过充时都将充电回路关断的效果。
表1
(2)过放电保护
与过充电相似，S-8209A在检测电池两端电压低于VDL或放电控制引脚CTLD为高电平时，将进入过放电状态，且DO输出高阻，直至电压高于VDU退出。级联控制方式下任一级锂电池过放时都将使放电MOSFET组关断。
(3)充、放电电量平衡
由于锂电池在生产过程存在着个体差异，无法确保其内阻、容量等参数的一致，因此在充放电过程中各锂电池的充放电速率、电压也就无法保证完全相同。电压的不平衡常导致部分电池充电无法充满，放电无法放尽，严重影响锂电池的使用寿命。
S-8209A具有充电、放电电量均衡功能。如图5所示，以第3级电池为例，当该级电压优先高于VBU时，S3的CB引脚将驱动外部MOSFET(Q3)接通一个100 Ω电阻，该电阻对流入第3级电池的充电电流进行旁路，以降低其充电速率，从而保证各级电池电压处于较精准的均衡状态。当任何一级电压高于VBU时，该级保护IC都将进入充电电量均衡状态，直至电压低于VBL才退出。
在级联控制方式下，后级电池的过放电状态将通过DO引脚反映至前级，当第3级电池电压低于VDL时，S3将进入过放电状态，S2，S1在CTLD引脚的控制下也将进入过放电状态。如果此时1，2级电池的电压都高于VDL，则S2，S1将分别驱动Q1，Q2导通，两级电池各通过100 Ω电阻放电，实现放电电量平衡功能，直至电压低于VDL为止。
保护IC级联控制方式可以使后级的过放电状态反映至前级，进而实现前级的放电电量平衡功能，然而前级的过放电状态却无法反映至后级。为使前级过放电状态能反映至后级，设计了过放电状态通信电路，如图6所示。
图6 过放电状态通信电路
正常状态下Q11，Q12导通，S10的CTLD引脚被拉低，S10不受级联控制影响，当任何一级电池过充电时，图4中的放电MOSFET组将被关断，此时如果电池组仍接负载，EB-电位与Batl+相同，Q11，Q12关断，CTLD被内部电阻上拉，S10也进入过放电状态，级联控制方式将使所有保护IC均进入过放电状态，因此电压高于于VDL的电池组都将实现放电电量平衡，直至接入充电器或电压低于VDL。
(6)短路保护
负载短路保护采用了15 A规格的铅类保险丝FUSE，位置如图4所示，断开时将切断放电回路。采用铅类保险丝一方面是由于负载工作电流较大，电路板要求尺寸较小，无法采用专用熔断器；另一方面是因为直流电机在启动瞬间瞬时电流可达额定电流的10～20倍，铅类保险丝可以躲过瞬时的大电流。
(7)延时保护
为使电压的检测、解除更为可靠、稳定，保护IC提供了延时保护功能。在最前级芯片S10的CDT引脚处接入电容C11(0．01μF)，可产生tDET=10．0×0．01=0．1 s的检测延时，当任何保护达到检测电压时，均需延迟tDET后方可动作；此外，还有解除延时时间tREL，tREL=tDET ／10=0．01 s，当任何保护达到解除电压时，也需延迟tREL才能动作。
4 PCB设计
电路板被划分成两块：控制电路板(保护板1)和驱动电路板(保护板2)。检测电路被布置于保护板1中，由10片S-8209A及其外围电路组成，电流小，功耗低，抗干扰能力要求较高；电流回路驱动被布置于保护板2中，由充、放电MOSFET组及保险丝组成，要求能够通断大电流，功耗大，开关器件产生的干扰也较大。通过对两大功能进行分离、合理布线、覆铜，最终成品如图7和图8所示。
图7 系统总体框图
完整有效的保护电路保障锂电池组的使用寿命更长、更安全、更可靠。
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