智能型锂电池保护电路设计与实现

I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-8209IIThe Design and Implementation Of Intelligent Lithium-ion Battery Protection CircuitAbstractLithium-ion battery is widely used in almost all walks of life, because of its large capacity, long useful life, environment friendly and large volume ratio of energy. It is becoming the mainstream products of battery. But its high volume ratio of energy is also the unstable caution of security. So it is necessary to match the battery protection circuitry to ensure the safety of the battery and the equipment of using the battery.This article describes the adoption of lithium-ion battery charge and discharge characteristics of a variety of specifications to design a lithium battery group and battery protection circuit.In this paper, the charge and discharge characteristics of lithium battery as a research subject during the process. This article introduces the characteristics of lithium battery and its protection circuit development and trend, followed by shows the principles of lithium battery charge and discharge. And then make the design settings. During the design process, firstly proposed various of design options. Through theoretical analysis to determine the program, selected Seiko electronic IIIpower management IC S-8209 to achieve the design. Then carried out on the S-8209 Pspice model and simulation to verify its functionality and provide a theoretical basis for the design. Then draw the circuit diagram, and helping to improve optimization design. Finally, debug the lithium battery protection circuit and summary my work during the graduation project.Keywords: Lithium-ion battery Battery protection circuit Pspice-modelingLithium-ion battery group S-8209 IV目录1 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 课题的研究方向和发展前景 .21.2.1 锂电池保护电路的现状 .21.2.2 锂电池保护电路的发展前景 .31.3 选题的目的和意义 .41.4 设计要求 .51.5 主要工作及流程 .72 技术背景及方案选择 .82.1 锂电池的介绍 .82.1.1 锂电池简介 .82.1.2 锂电池的特点 .92.1.3 锂电池的充电原理 .112.1.4 锂电池的放电原理 .122.1.5 锂电池的工作过程 .132.1.6 锂电池保护的必要性 .132.2 锂电池充电器的介绍 .142.2.1 锂电池充电器简介 .142.2.2 恒流恒压式锂电池充电器 .152.3 Pspice 仿真软件的介绍 .172.3.1 Pspice 的发展与现状 .17V2.3.2 Pspice 的组成 .192.3.3 Pspice 的分析功能 .202.3.4 使用 Pspice 建立仿真模型 .202.4 实现方案的选择 .212.4.1 方案介绍 .212.4.2 方案的对比与选择 .222.4.3 方案存在的问题 .243 设计实现 .253.1 原理分析 .253.1.1 整体实现原理 .253.1.2 各部分功能的实现方法 .263.1.3 S-8209 的性能指标 .283.1.4 S-8209 功能原理分析 .293.1.5 S-8209 的典型电路原理 .313.2 使用 Pspice 进行仿真 .343.2.1 仿真的意义及作用 .343.2.2 对 S-8209 芯片建立仿真模型 .353.2.3 锂电池保护电路的仿真 .373.3 锂电池保护电路的制作 .413.3.1 设计电路 .413.3.2 确定选用元件的型号及参数 .423.3.3 绘制 PCB 电路板 .434 总结 .45VI4.1 实际电路测试 .454.2 理论与实际对比分析 .454.3 经验总结 .46致谢 .47参考文献 .48附录 .51附 1 Pspice 仿真描述语句 .51附 2 锂电池保护电路电路图 .53附 3 锂电池保护电路实物图 .54外文资料翻译及原文 .551 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 1.2 TSSOP 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 Power MOS 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