锂电池保护电路的设计

电子科技2006年第10期（总第205期）

锂电池保护电路的设计

邓绍刚，汪艳，李秀清，黄合宝

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300381》

摘要详细介绍了采用单片机为控制核心的锂离子电池0串电池组）保护电路的硬件、软件设 计。利用单片机强大的判断和逻辑运算能力及软件的灵活性，实现了对锂离子电池工作状态的检测. 及对锂电池的防过充电、防过放电及防止过电流功能。

关键词锂离子电池：单片机：6/0转换 中图分类号I 抑11

1)681211 0丨 3 1^1111111111-1011 83^61^ ？1^016011011 011*01111

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。为此目前国外 很多芯片公司研制出分别适用于1〜4只串联数的 锂离子电池保护芯片，其功能完善，电路结构简单， 在很多电池保护电路中获得广泛应用。但是对多串 联数（如7〜丨0只单体串联的电池组如果采取 目前市面上的集成电路芯片来制作保护电路，存在 保护电路功能比较单一，使用上不够灵活的缺点。 为此，我们设计了一种以单片机为核心的电池保护 电路。由于单片机具有运算功能强大、软件编程灵 活等特点，以其为核心的保护电路也由此具备了功 能多元化，使用灵活，尤其是其功能的可扩展性的收稿日期：2006*06-19

作者简介：邓绍刚1：1972—丨，男，工程师。研究方向：锂 离子电池充电和保护电路方向，以及电源变换技术。

突出优点。

1锂离子电池及其保护电路概述

锂离子电池与其他类型如镍镉、镍氢等电池相

比较，锂离子电池具有以下几项特点：

⑴能呈密度高。

循环寿命长。⑶自放电率低。

⑷环境温度影响小。^

无“记忆效应”。巧）无环境污染⑴。

锂离子电池的额定电压为3.6^。充电的终止充 电电压与电池阳极材料有关：石墨的4.2、；焦炭的 《IV 。锂离子电池的放电终止电压为2.25〜2；7乂。 高于终止充电电压及低于终止放电电压时都会对 电池造成损害⑵。

1. 1需要保护电路的原因

尽管锂离子电池具有上述诸多优点，但必需防 止过充电、过放电和短路。过充电、过放电或短路 状态，都能因电解液分解而导致电池特性恶化，可

锂电池保护电路的设计

能使电池起火甚至爆炸，危及主机以及使用者。因 此，锂离子电池组内必须安装防止电池遭受过电压 和短路的保护电路【3】。

与放电回路的关断与打开，从而实现对锂离子电池 的保护功能。由此我们给出电池保护电路的原理方 框图如图1：保

护

电

路

由

单

体

电

1. 2锂离子电池保护电路的功能

《0

电池组中任何一只单体电池的充电电压超

过允许的最大值时，切断充电回路。

⑵电池组中任何一只单体电池的放电电压低 于极限电压时，切断放电回路。

若电池组的放电电流大于极限值，或负载

电路短路时，切断放电回路。

池电压转换电路、电源电路、放电电流检测电路和 过充电、过充放电控制^103？51电路等部分组成。

(句当上述不正常状态消除后，应能自动地恢

复电池组的正常工作专状态。

^保护电路自身功耗应比较之小。

充电过程中，允许充电的电压范围是：每节 电池125乂〜42乂。在过充电检测时，需要适应脉 冲充电方式并防止因噪声而导致错误操作，为此， 应设定适当的延迟时间。放电过程中，锂离子电池 的电压下限为1抓

、其所要求的误差精度并不如

图1保护电路的原理方程图

7路单体电池电压经转换电路转换为对地的电

压后送入丨?” 16074〉的1/0 口，经过 内部的8个入沿器变换后，电压与过压、欠压门限 值比较，比较结果再经过故障逻辑判断，如果各单 体电池的电压均在过压值以下，欠压门限值以上， 输出驱动信号，使过充电、过放电控制

导通，电池组正常充放电。如果任意一个单体电池 的电压高于过充电门限值，输出信号使充电控制 从08？61' 关断，电池组停止充电工作。如果任意一 个单体电池的电压低于过放电保护门限值，输出信

充电电压精确，但必须有适当的过放电延迟时间。 当电池电压低于过放电保护电压时，应当关闭电池 放电，避免电池过放电现象发生。过电流检时，当 放电电流超过设定值时，保护电路应该关闭电池放 电回路，伹需要设定延迟时间，以适合电容性负载 的要求，避免发生将流向容性负载的脉冲电流当作 过电流检测出来而中止放电的情况|4】。

2硬件设计

号使放电控制从08？57关断，电池组停止放电工 作。过电流时，？70高阻，切断电路。电路总的原 理图如图2所示。

2. 1工作原理

锂离子电池保护电路是通过丁管对充电

电子科技丨2006年10月15日69

0^1113 防记作以!.

11

10. 0^1

5 1994-2010 0111112 ^03110111！0 101117131 51601^01110 1101180.

锂电池保护电路的设计

2.2 ？ 1016074 单片机

由以上电路原理方框图如图1，可以知道，保 护电路的主要部分在于中心的电路控制部分。针对 七串锂离子电池组设计的保护电路，需对7路电压 模拟信号进行采集、处理，并要解决单片机对模拟 信号的处理、通道的切换和相对电压的变换等问 题，最终选择了美国从丨以0也中公司生产的 ？1016074单片机。这种芯片是一种低功耗、高性 能，价格适中的0^105全静态8位22？110乂单片 微型处理器，4001？，其中1/0 口就有33脚，适于 加装较多外围器件和设备，管脚排列如图3所示。

(句更为重要的是，该芯片具有休眠功能，即

执行8166？工作方式，此方式下，芯片耗电极小（小 于仏八当需芯片重新工作时，可通过内部或外 围中断方式唤醒芯片转入正常工作方式

对于？1016074芯片《40管脚，6个八口，8、

0、0 口均为8个，且有3个2 口〉来说，由于芯

片体积比较大，占用空间使得保护电路电路板体积 增大，但同时也使得其资源的可扩展性增强了很 多，在实际设计中可利用其33个1/0 口实现液晶、 键盘以及很多其他的外设的连接，从而得到很大程 度上的功能扩展。1- 3硬件设计

2. 3. 1电源电路

保护电路电源由电池组供电，为了能保证 正常供电，在电源变换上采用1^X 667，提供 所需5乂电源，具体电路如图4所示。

0 十5乂0117工 10 口 ？

^1^X667

町

财阳财犯犯⑴册加怒3阳

000504

图3 ？ 1016074管脚排列

13说？1016074芯片包含192字节数据存储器

和妆8辦字节程序存储器（奶⑷容量，

洲！2

03

IX 001

557 0^0 5只0只

图4 1^X667电路图

33个输出丨输入口，3个定时丨计数器，3个捕捉7比

较#胃模数和两个串行口，同步串行口可配置成

三线8？1或二线I I 工作方式，串行口可设置成同 步或异步，以及八通道高速…

变换器部分。软件

结构上，釆用^180；指令结构，具有8级堆找，多 个内部和外部中断位，指令35条，易于编程。

与其他单片机(如乂8031芯片) 相比，？1016074 具有如下几个其他芯片无法比拟的特点：

^1^X667具有尺011113丨和511111(10X ^11两种工作模

式，^01-0131模式下的静态工作电流为15以八，

511111(10^0模式下的静态电流为0. 21^。在

作，脚

端

正

常工作状态时，使^14X667处于1^0111131模式下工

处于516印工作方式时，为V 八乂667的5

）提供高于1. 5、的信号，使1^X 667

处于811111(10^11模式下。1.1 2电压转换电路

电压转换可以采用运算放大器构成减法器，见 图5，通过模拟电压相减，将电池两端的相对电压 转换为对地电压，使检测电路能够判断电池的状 态。具体实现上，相对电压转换需要使用6个运放 组成6个减法器（因为处于最低电位处的电池其正 极对地电位就是它的正负极电压差，无需减法器进 行电位转换基本框图如图6，同时对电位较高的

⑴内部带有8个^70变换通道，仅此一点，

在需要进行…变换时，就省去了附加的八/13转

换外围芯片；

⑵软件指令仅35条，利用编程实现；

⑶低功耗，高速0^05 电154八；

70 I 丁八政0汰丨5，2006

技术，在5乂

4^492时仅耗电小于201^，在I V 321^2时，仅耗

I 994-2010 0111112 八丨0 10110131 51601^0010 抑抓加叩 901180. 八I I 021113 11141. 1101