毕业设计（论文）锂电池保护电路的研发与设计

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1、装订线毕业项目报告纸锂电池保护电路的研发与设计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，详细阐述了在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、

2、实现方法。关键词：锂电池 保护电路 电池组 Li-ion battery protective circuit design and implementationAbstractLithium ion battery for energy storage capacity, long service life, clean environmental protection, energy than numerous advantages such as large volume, so in all walks of life to be used extensively, gradually

3、 become the mainstream of the battery products. However, because of the lithium-ion batteries, also make higher energy density to ensure the safety, so need to match the battery protective circuit to ensure the battery and use the safety equipment.This paper introduces the charging and discharging l

4、ithium ion batteries by designing a support characteristics of various specifications of lithium battery and battery pack protection circuits detailed process.Based on the characteristics of the charging and discharging lithium batteries as a main body of research, the author expounded in detail wor

5、k of lithium battery charging and discharging during the process of the research and design of its protection. Introduces the characteristics of lithium-ion batteries and its protection circuit development present situation and trend, second explains the charging and discharging lithium battery conc

6、ept, principle, set goals of design parameters and protect circuit design process and realization method.Keywords: li-ion battery protective circuit battery pack目录 1.1课题研究背景51.2 课题的研究方向和发展前景51.2.1锂电池保护电路的现状61.2.2 锂电池保护电路的发展前景71.3 选题的目的和意义71.4 设计要求82.1 锂电池的介绍102.1.1 锂电池简介102.1.2 锂电池的特点102.1.3 锂电池的充电原

7、理122.1.4 锂电池的放电原理132.1.5 锂电池的工作过程142.1.6 锂电池保护的必要性14 2.2 锂电池的保护功能.15 2.1.1锂电池保护回路电路.15 2.2.2 保护功能剖析.153.3锂电池保护电路的制作233.3.1 设计电路.233.3.2 确定选用元件的型号及参数.243.3.3 绘制PCB电路板.244.1 实际电路测试.264.2 理论与实际对比分析.26 5.1多串保护电路.26 5.1.1电芯的正确串并联.26 5.1.2保护项目及注意事项34致谢.36参考文献.37附录附1 锂电池保护电路电路图38附2 锂电池保护电路实物图 391 绪论1.1 课题研

8、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

9、。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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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）4.21000970万能型充电器输

16、出电压（V）输出电流（mA）充电时间（h）4.23003.5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Nokia BL-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要大于5v，耐流值要达到1A，这些要求是根据测试时选用的电池及充电器确定的。如果要使用磷酸铁锂电池及相应充电器，那么元件的耐流值要更大达到20A甚至更高，则相应地，电路的制作成本将大大超出毕业设计所提供的经费，无法

17、选用动力电池对本毕业设计所制作的保护电路进行测试。故选用上述锂电池及充电器。2.1 锂电池的介绍2.1.1 锂电池简介锂电池（锂原电池）和锂离子电池是20世纪开发成功的新型高能电池。锂原电池的负极是金属锂，正极用MnO2，SOCl2，(CFx)n等。70年代进入实用化。现在，锂离子电池应用范围更加广泛，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等。锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2，该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池生产要在特

18、殊的环境条件下进行。锂原电池之后发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的运动状态。锂离子电池就像一把摇椅，摇椅的两端

19、为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑，所以锂离子电池又叫摇椅式电池。现在锂离子电池的大量使用，已经逐渐代替了不安全的锂电池，所以已经习惯用锂电池来称呼锂离子电池。2.1.2 锂电池的特点锂离子电池：是一种高能量密度的电池，它与同样大小的镍镉电池、镍金属氢电池相比，电量储备更大、重量也更轻。锂离子电池基于安全性的考虑，其还内置了一块控制芯片，提供对电量、电压、电流等等众多方面的保护控制，能够避免对电池构成过度充电而造成危险的现象，进一步提升电池的使用安全性。锂电池的优点：1、比能量高。具有高储存能量密度，目前已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约67倍；2、使用寿命长，使用

20、寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池用1A DOD充放，有可以使用10,000次的记录；3、额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；4、具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30A充放电的能力，便于高强度的启动加速；5、自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，目前一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；6、重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/5-6；7、高低温适应型强，可以在-2060的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45环境下使用；8、绿色环保，不论生产、使用和报废，

21、都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质；9、生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。锂电池的缺点：1、锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险；2、钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，安全性较差；3、锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电；4、生产要求条件高，成本高。表2.1 锂电池与其它电池性能的比较性能锂电池镍氢电池镍镉电池铅酸蓄电池工作电压（v）3.61.21.22.0能量密度（Wh-kg-1）100160655035循环寿命（次）5001200300700300600150400自放电率（%/月）69303525306工作温度范围（）-2060-2065-

22、2065-4065容量高中低低安全性能安全安全安全不安全记忆效应无无有无环境污染无无有有成本价格高中低低通过表2.1可以清楚地看出锂电池与其它各型主流电池的性能特点，锂电池除造价及工作温度范围两项外，性能均表现突出，综合性能最高。综合锂电池的优缺点来看，使用锂电池还是利大于弊的。并且观其缺点，基本是安全性上的问题，但是只要设有保护电路对锂电池进行实时的监控检测，还是可以使锂电池的使用安全性大大提高的。所以锂电池成为新一代的主流电池是有其必然性的。2.1.3 锂电池的充电原理图2.1 锂电池充电特性曲线目前锂电池的充电方法主要有两种，即恒流恒压充电和脉冲充电。在本毕业设计中选取的充电器使用的是恒

23、流恒压充电法，所以以下针对恒流恒压法进行详细介绍。如图2.1所示，锂电池的恒流恒压充电方法充电过程。电池接入充电器后，充电器首先进行预处理，主要对电池进行检查，检查方法是以A/l5量级的电流对电池进行温和的预充看其电压能否上升到规定门限（2.5V），否则断定电池报废；成功预充电后则进入恒流区，以较高的恒定电流约1A对电池进行快速充电。当电池电压到达恒压门限(4.2V)时，电池容量接近于满容量的40%至70%，转入恒压区，对电池进行恒定电压充电，随着电池电压的不断上升，充电电流不断减小，当充电电流降到 A/10或 A/15量级时终止充电，即电池充电完成。锂电池充电的速度决定于充电器的恒流区输出电

24、流，即最大充电电流。最大充电电流大则充电速度快，最大充电电流小则充电速度慢。一般锂电池所用的充电电流设定在0.2A至1A之间，电流越大，充电越快，但同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电反而会使电池容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间，电流过大将导致反应时间不充分。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。2.1.4 锂电池的放电原理锂电池的放电可以理解为是其充电的逆过程。对于锂电池来说，自放电率是很低的，所以其正常使用的过程就是放电的过程。锂电池的放电只需要注意两点：第一，放电电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热过大，有可能会造成永久性的损害。第二，绝对不能过放电，锂电池

25、一旦放电电压低于2.0V，将可能导致电池内部材料损坏严重的将导致电池报废。图2.2 锂电池放电特性曲线由图2.2可以知道，放电电流越大放电曲线的下降趋势越大，也就是放电的速度越快。同时越大的放电电流也会导致电池发热，严重的将对电池造成损伤。所以为了保证电池的使用安全以及电池的供电效率，应选用不过大的适宜的供电电流。2.1.5 锂电池的工作过程锂电池每一个“充电放电”过程，称为一个充放电循环。锂电池从工作开始，每个循环后的容量都会出现轻微下降，这是由电池的电极材料的性质决定的。按照国家标准，当容量下降到额定容量的60%时，即认为电池寿命结束。通常锂电池寿命不小于500次循环，就是指500次充电循

26、环后，容量不小于额定容量的60%。一般的充放电循环，是“充满放空” 。这样对电极材料来说负荷时比较大的。所以每次充电不要完全充满，放电不要完全放空，可以大大延长锂电池的寿命。有测试说，如果把充放电过程控制在80%的容量，循环寿命可以超过2000次。控制电池使之充放电量控制在80%左右靠锂电池本身是不可能的，这也要通过保护板来实现，只要调节保护开启阀值就这一做到这点。2.1.6 锂电池保护的必要性当锂电池发生过度充电时，电池内电解质会被分解，使得温度上升并产生气体，使得压力上升而可能引起自燃或爆裂的危机。在过度放电的情形下,电解液因分解而导致电池特性劣化,并造成充电次数的降低。在过流使用或是短路

27、的情况下，会使电池因使用电流过大而温度过高导致外壳变形、电解液泄露甚至爆炸。从分子层面看，锂电池的过充过放将可能对锂离子电池的正负极造成永久的损坏。可以直观的理解为，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，而这种结构上的塌陷是无法恢复的；过度充电则将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来，使电池的容量大幅下降。总之，锂电池的过充和过放都会对电池本身以及用电设备造成很大的损害。而要极大程度地避免这些，使用锂电池保护电路就可以了，这也正是锂电池保护电路必要性的原因所在。2.2锂电池的保护功能2.2.1锂电池保护回路电路锂电池公认的使用效率与安全

28、性，使得它即使价位较高，销售量仍然快速成长。而锂电池保护回路电路则是锂电池的守护神，能够有效的让锂电池进行工作以及对其进行保护控制，而所谓的锂电池保护回路电路则就是锂电池中的那块保护电路。1、保护回路的必要性：锂离子可充电池如果发生过充电或过放电，常会出现电池膨胀、漏液等异常现象，保护回路可防止器本身或充电器有故障，或因使用不当，电池出现破损及性能恶化而设置的。在正常使用条件下，保护回路是不工作的。 2、保护回路电路的安装位置：保护回路是与单个电池及电池板连成一体，即使充电器或机器本身故障，保护回路也能防止电池破损、漏液、特性劣化的作用。这些保护回路必须装在电池板内，并由专业公司针对不同的电池

29、设计回路。3、避免保护回路损坏：避免在强静电的场所使用电池，例如某些实验室、精密仪器附近、空旷处雷雨等等。4、电池的安全充电温度范围：电池最好在摄氏045度间充电，以保持最佳最安全的充电状态，否则易损害保护回路、降低电池效能寿命。例如停在烈日曝晒下的汽车，电池即不适合置放其中。2.2.2保护功能剖析锂电池的电芯其实是比较脆弱的,因此完备的保护措施对一个合格的手机电池来讲是必不可少的.    一.锂电池的保护PTC    锂电池的保护器件非常简单,就是图中跨在电芯上的扁扁的扁带一样的东西,称为可恢复式保险丝,又称PTC,即正温度系数热敏

30、电阻的英文简写.在电路上,它是串联在供电回路里面的.一旦发生大电流(比如短路)的情况,就会因其PTC效应迅速增加其本身的电阻值,起到断路的作用.    二.PTC的介绍    PTC 正温度系数热敏电阻 又称polyswitch 聚合物自复保险丝 (polymer resettable fuse)     聚合物自复保险丝由聚合物基体及使其导电的碳黑粒子组成。 由于聚合物自复保险丝为导体，其上会有电流通过。当有过电流 通过聚合物自复保险丝时，产生的热量（为 I 2 R ）将使其膨胀。从 而碳黑粒子将分开、

31、聚合物自复保险丝的电阻将上升。这将促使 聚合物自复保险丝更快的产生热、膨胀得更大，进一步使电阻升 高。当温度达到 125 ° C 时，电阻变化显著，从而使电流明显减 小。此时流过聚合物自复保险丝的小电流足以使其保持在这个温 度和处于高阻状态。当故障清除后，聚合物自复保险丝收缩至原 来的形状重新将碳黑粒子联结起来，从而降低电阻至具有规定的 保持电流这个水平。上述过程可循环多次.图例说明PTC的保护原理如下图:     冷态PTC电阻值仅几十毫欧,而热态电阻值可达几百千欧姆.    三.锂离子电池的保护线路  

32、;  关于锂离子电池保护线路的原理详细描述参看<<电池和充电器认识误区(续)-锂离子电池保护线路浅谈>>    本文主要以图例进行说明 图一P+IDNTCP- 图二    图一为典型的锂离子保护线路原理图,B+,和B-代表典型的正负极,而P+和P-代表成品手机电池的正负极输出(见图二).    四.锂离子保护线路的保护参数    另外,复杂高级的锂离子电池(比如智能锂离子电池)还会包含温度保护,电量计量,实时时钟和电子范围标识码. 

33、   五.锂离子电池保护原理细解    1.过充保护    当充电电压超出保护值是,触发保护线路动作,关断开关管Q1.    2.过放保护    当负载使电池电压降低到保护电压以下时,触发保护线路,Q1关断.    3.短路保护   短路保护电路分两种,一种是一旦触发后,短路故障排除,Q1自行导通,另一种触发后不会自行恢复,需要外界强行充电后才会释放Q1.目前市场上这两种保护电路共存.  

34、;  六.电池其它管脚的定义和解释    在许多手机的电池输出端,除了正负极,通常还会有一个或几个另外的输出端,典型有如图的两种,NTC电阻和ID电阻.    1.ID电阻的原理    ID(标识的简拼)    简单讲就是手机通过读取该管脚电阻的阻值来获悉电池的类型(根据阻值的不同来区分镍氢电池和锂离子电池,区分大容量电池和普通容量电池)    2.NTC电阻    NTC电阻正好是前面PTC电阻的相反.N

35、TC是负温度系数热敏电阻的简拼.    简单讲手机通过读取该电阻的阻值获取电池的温度值.籍以进行相应的保护动作.比如在045度以外的环境,手机不进行充电,在-2060度的范围之外手机强行关机,以此来保护在非电池容忍环境里的危险操作.    3.NTC原理    NTC电阻的阻值和温度的对应关系如上图所示,图中可以看出,该电阻对应温度有一个非常明确的对应关系.该电阻还可以用来进行一些电路的负温度补偿.3.3锂电池保护电路的制作3.3.1 设计电路锂电池保护电路的各个功能的实现方法已经在前一章节3.2中给出了

36、详细的说明，在本节将对之前的过流保护、短路保护及S-8209芯片部分的电路整合到一起实现完整功能的锂电池保护电路。由于电路图过大，不便在此处贴出，详见附2的电路图。此电路可以对18串锂电池或锂电池组进行充电，具有过充保护、过放保护、过流保护、短路保护、电量平衡保护这些设计要求中所提及的全部功能。此电路的基本框架是S-8209的典型应用电路，是在其基础上进行改进而成的扩展电路。为了使保护电路的充电、放电端不相互影响，使用一个单刀双掷开关。为了调节锂电池接入电路的串数，使用了8个开关进行控制，其中包括4个单刀双掷开关和4个单刀单掷开关。其中一个单刀双掷开关和一个相应的单刀单掷开关为一组需同步拨动。

37、表3.4详细说明了开关的设置与接入电路的锂电池串数的关系，开关的上拨是跳过下一组电池接入回路，下拨是使下一组电池接入回路。表3.4 锂电池接入串数的控制方法串数接入的锂电池单刀双掷开关单刀单掷开关1BAT1全部上拨全部上拨2BAT1、BAT2Sa1下拨，其它上拨Sb1下拨，其它上拨3BAT1、BAT2、BAT3Sa1、Sa2下拨，其它上拨Sb1、Sb2下拨，其它上拨4BAT1、BAT2、BAT3、BAT4Sa1、Sa2、Sa3下拨，其它上拨除Sb4外都下拨5BAT1、BAT58Sa4下拨，其它上拨Sb4下拨6BAT1、BAT2、BAT58Sa1、Sa4下拨，其它上拨Sb1、Sb4下拨，其它上拨

38、7BAT1、BAT2、BAT3、BAT58Sa1、Sa2、Sa4下拨，其它上拨除Sb3外都下拨8全部接入全部下拨全部下拨在此保护电路中，锂电池BAT1是一直接入电路的。在实现14串电池或电池组使用时，BAT2、BAT3、BAT4可以依次接入达到要求；BAT5、BAT6、BAT7、BAT8作为一个4串电池组的整体，用BAT58表示。3.3.2 确定选用元件的型号及参数为了绘制PCB电路板，和焊接电路，需要确定电路中各元器件的型号、参数以及封装。S-8209芯片在前边已有描述，采用TSSOP-8贴片式，其它如电阻、电容、三极管、MOS管和开关等都使用直插式元件。此锂电池保护电路的电流值不高，所以电

39、阻可以使用普通的1/4W金属模电阻。电路中的电容都是1F以下的小电容，且电路对其要求不高，所以使用普通的陶瓷瓷片电容。开关也没有特殊的要求，选用拨动式直插开关。三极管为PNP型，选用C9012，封装为SIP-3。开关管N沟道增强型MOS管选用IRFD120，封装为HEXDIP；P沟道增强型MOS管选用IRFD9120，封装为HEXDIP。这三种有源器件的参数详见表3.5。表3.5 有源器件的参数PNP型三极管C9012CE耐压值CE耐流值10v1AN沟道增强型MOS管IRFD120GS耐压值DS耐流值150v1.3AP沟道增强型MOS管IRFD9120GS耐压值DS耐流值100v1A3.3.3

40、 绘制PCB电路板根据所选元器件类型及封装尺寸，使用Protel 99SE绘制PCB电路板。电阻、电容都使用贴片式器件，其尺寸只有1.2mm×0.3mm。三极管、MOS管的尺寸如上节中所述一致。绘制PCB电路板的步骤大体分为绘图和制版。绘图的过程是首先在Protel中绘制电路原理图，然后根据器件的尺寸制作PCB元件库，而后在PCB图中以原理图为准连接所建立的PCB模块，本图为了绘制简单只采用了单层板，这样可以节省成本并降低制作的工艺难度。制版的过程首先要将绘制好的PCB图打印到菲林胶片上，然后把胶片贴在覆铜板上放入曝光机曝光数分钟，之后放入腐蚀液中做腐蚀，将电路中的非导线部分的铜溶解

41、掉，接着用酒精清洗一遍电路板，与PCB图一致的一块PCB电路板就制作完成了。最终制成的锂电池保护电路板的PCB电路如图3.10所示，其尺寸约为74mm×46mm。图3.10 锂电池保护电路PCB电路板4 总结4.1 实际电路测试实际制成的锂电池保护电路的测试结果如表4.1所示。由于实际测试过程中在不破坏锂电池或充电器的情况下，几乎不可能测试过充、过放、过流、短路保护的功能，所以使用置位器分压的方法模拟电池电压以验证电路功能并获得相关参数。短路保护的功能原理实现方法简单且实际应用中已有大量验证，故不再做测试。表4.1 实际电路测试结果项目开启阀值解除阀值过充保护4.25v4.20v过放

42、保护2.39v2.40v电量平衡保护4.21v4.18v过流保护约为1A1A4.2 理论与实际对比分析在过放保护开启时，开关MOS管栅源极电压VGS输出为0.8v，远低于MOS管开启电压2v，保护解除时，VGS为2.8v。过充保护开启时，MOS管栅源极电压VGS为1.5v，保护解除时，VGS为3.2v。这些值与理论值相差不多，其误差仅存在于MOS管的截止电压均高于理论的0v，其原因为三极管的基极与集电极间形成的微小电流。在过充保护时，这样的工作过程反而可以使过充保护缓慢开始，保证电池可以相对的充满，不致使其在未充满电的情况下断开充电回路。 5.1多串保护电路5.1.1电芯的正确串并联把电池串联

43、和并联起来使用，这听起来好象很简单，但是，遵循一些简单的规则，就可以避免不必要的问题。锂电池组包含两部分：电池和锂电池保护线路。 在电池组中是把多个电池串联起来，得到所需要的工作电压。如果所需要的是更高的容量和更大的电流，那就应该把电池并联起来。另外还有一些电池组，把串联和并联这两种方法结合起来。一个笔记本电脑的电池有可能是把四节3.6V锂离子电池串联起来，总电压达到14.4V；然后，再把两组串联在一起的电池并联起来，这样，电池组的总电量就可以从2000毫安时提高到4000毫安时。这种接法称作“四串两并”，它的意思是：把两组由四节电池串联在一起的电池组并联起来。锂离子电池的标称电压则是3.6V

44、。使用锂离子聚合物和其他类型的锂电池，它的额定电压一般为3.7V。如果要想得到像11.1V这种不常见的电压，就得把三节这种电池串联在一起。串联需要高电量的便携设备，一般是由两节或更多节电池串联起来的电池组供电。使用高电压电池组所带来的另一个问题，就是有可能遇到电池组里的某一节电池失效的情况。这就像一个链条，串联在一起的电池越多，出现这种情况的几率就越高。只要一节电池有问题，它的电压就会降低。到最后，一节“断开”的电池可能会中断电流的输送。而要更换“坏”电池也绝非易事，因为新老电池是互不匹配的。一般说来，新电池的容量要比老电池的高得多。随着工作电压的下降，它比正常电池组更快地达到放电结束的临界点

45、，同时，它的使用时间也急剧缩短。一旦设备因电压过低而切断电源，其余单体电池仍然完好的电池就不能把所存储的电量送出来了。这时，坏的那节电池电池还呈现很大的内阻，如果此时还带有负载，那么，将会导致整个电池链的输出电压将大幅度下降。在一组串联电池中，一节性能差的电池，就像是一个堵住水管的塞子，会产生巨大的阻力，阻止电流流过去。其它电池也会短路，这将使终端的电压降低至3.6V，或者，使电池组链路断开并切断电流。一个电池组的性能是取决于电池组里最差的那块电池的性能。 并联为了得到更多的电量，可以把两个或者更多个电池并联起来。除了把电池并联起来，另一个办法是使用尺寸更大的电池。由于受到可以选用的电池的限制

46、，这个办法并不适用于所有情况。此外，大尺寸的电池也不适合做成专用电池所需要的外形规格。大部分的化学电池都可以并联使用，而锂离子电池最适合并联使用。由四节电池并联而成的电池组，电压保持为3.6V，而电流和运行时间则增大到四倍。与电池串联相比，在电池并联电路中，高阻抗或“开路”电池的影响较小，但是，并联电池组会减少负载能力，并缩短运行时间。这就好比一个发动机只启动了三个汽缸。电路短路所造成的破坏会更大，这是因为，在短路时，出现故障的电池会迅速地耗尽其他电池里的电量，并引起火灾 .使用串并联这种连接方法时，在设计上很灵活，可以用标准的电池尺寸达到所需要的额定电压和电流。应当注意：总功率不会因为电池的

47、不同连接方法而改变。功率等于电压乘电流。 对锂离子电池而言，串并联的连接方法很常见。最常用的一种电池组是18650（直径为18mm，长度为650mm），它带有保护电路即锂电池保护板，锂电池保护板能够监视串联在一起的每一节电池，因此，它的最大实际电压为14.4V。这个锂电池保护电路也可以用于监视串联在一起的每一节电池的状态。 在把几个电池串联起来使用时，必须遵照下面的基本要求：保持电池的连接点的洁净。把四节电池串联起来使用时，共有八个连接点（电池到电池室的连接点，电池室到下一节电池的连接点）。每个连接点都存在一定的电阻，如果增加连接点，有可能会影响整个电池组的性能。不要混用电池，选择性能一致的电

48、池。当电池的电量不足时，更换所有的电池。在串联使用时，要用同一种类型的电池。要注意电池的极性。如果有一节电池的极性装反了，就会减少整串电池的电压，而不是增加电压。 把电池串联和并联起来使用，这听起来好象很简单，但是，遵循一些简单的规则，就可以避免不必要的问题。锂电池组包含两部分：电池和锂电池保护线路。 在电池组中是把多个电池串联起来，得到所需要的工作电压。如果所需要的是更高的容量和更大的电流，那就应该把电池并联起来。另外还有一些电池组，把串联和并联这两种方法结合起来。一个笔记本电脑的电池有可能是把四节3.6V锂离子电池串联起来，总电压达到14.4V；然后，再把两组串联在一起的电池并联起来，这样

49、，电池组的总电量就可以从2000毫安时提高到4000毫安时。这种接法称作“四串两并”，它的意思是：把两组由四节电池串联在一起的电池组并联起来。锂离子电池的标称电压则是3.6V。使用锂离子聚合物和其他类型的锂电池，它的额定电压一般为3.7V。如果要想得到像11.1V这种不常见的电压，就得把三节这种电池串联在一起。串联需要高电量的便携设备，一般是由两节或更多节电池串联起来的电池组供电。使用高电压电池组所带来的另一个问题，就是有可能遇到电池组里的某一节电池失效的情况。这就像一个链条，串联在一起的电池越多，出现这种情况的几率就越高。只要一节电池有问题，它的电压就会降低。到最后，一节“断开”的电池可能会

50、中断电流的输送。而要更换“坏”电池也绝非易事，因为新老电池是互不匹配的。一般说来，新电池的容量要比老电池的高得多。随着工作电压的下降，它比正常电池组更快地达到放电结束的临界点，同时，它的使用时间也急剧缩短。一旦设备因电压过低而切断电源，其余单体电池仍然完好的电池就不能把所存储的电量送出来了。这时，坏的那节电池电池还呈现很大的内阻，如果此时还带有负载，那么，将会导致整个电池链的输出电压将大幅度下降。在一组串联电池中，一节性能差的电池，就像是一个堵住水管的塞子，会产生巨大的阻力，阻止电流流过去。其它电池也会短路，这将使终端的电压降低至3.6V，或者，使电池组链路断开并切断电流。一个电池组的性能是取

51、决于电池组里最差的那块电池的性能。 并联为了得到更多的电量，可以把两个或者更多个电池并联起来。除了把电池并联起来，另一个办法是使用尺寸更大的电池。由于受到可以选用的电池的限制，这个办法并不适用于所有情况。此外，大尺寸的电池也不适合做成专用电池所需要的外形规格。大部分的化学电池都可以并联使用，而锂离子电池最适合并联使用。由四节电池并联而成的电池组，电压保持为3.6V，而电流和运行时间则增大到四倍。与电池串联相比，在电池并联电路中，高阻抗或“开路”电池的影响较小，但是，并联电池组会减少负载能力，并缩短运行时间。这就好比一个发动机只启动了三个汽缸。电路短路所造成的破坏会更大，这是因为，在短路时，出现

52、故障的电池会迅速地耗尽其他电池里的电量，并引起火灾 .使用串并联这种连接方法时，在设计上很灵活，可以用标准的电池尺寸达到所需要的额定电压和电流。应当注意：总功率不会因为电池的不同连接方法而改变。功率等于电压乘电流。 对锂离子电池而言，串并联的连接方法很常见。最常用的一种电池组是18650（直径为18mm，长度为650mm），它带有保护电路即锂电池保护板，锂电池保护板能够监视串联在一起的每一节电池，因此，它的最大实际电压为14.4V。这个锂电池保护电路也可以用于监视串联在一起的每一节电池的状态。 在把几个电池串联起来使用时，必须遵照下面的基本要求：保持电池的连接点的洁净。把四节电池串联起来使用时

53、，共有八个连接点（电池到电池室的连接点，电池室到下一节电池的连接点）。每个连接点都存在一定的电阻，如果增加连接点，有可能会影响整个电池组的性能。不要混用电池，选择性能一致的电池。当电池的电量不足时，更换所有的电池。在串联使用时，要用同一种类型的电池。要注意电池的极性。如果有一节电池的极性装反了，就会减少整串电池的电压，而不是增加电压。浅谈几种均衡充电技术1 恒定分流电阻均衡充电电阻分流均衡充电原理如图1所示。 每个锂离子电池单体上都并联一个分流电阻。从电路中可以看出，电阻上的分流电流必须远大于电池的自放电电流，才能达到均衡充电的效果。一般锂离子电池的自放电电流为C/20000左右，所以流过分流

54、电阻上的电流取C/200是比较合适的。另外，每个分流电阻的偏差也是影响均衡效果的重要因素。经过一定次数的充放电循环后，单电池的偏差可以用下面的公式确定：V电池电压偏差=R分流×I自放电2×V单电池×K电阻偏差若分流电阻取20±0.05%，则电池电压偏差能够控制在50mV范围内。每个电阻的平均功率为0.72W，但是无论电池充电过程还是电池放电过程，分流电阻始终消耗功率。2 通断分流电阻均衡充电通断分流电阻均衡充电原理如图2所示。 通断分流电阻均衡充电与电阻分流均衡充电的区别就是增加了一个通断开关，这个开关的控制可以由单片机系统软件来实现，也可以通过简单的逻

55、辑电路来实现。采用这种控制方式的均衡电路只在TAPER充电的恒压充电段工作，其他时间通断开关始终断开，这样需要电池组放电时，分流电阻不消耗宝贵的能量。在光照期，太阳电池发电功率是有富余的，这时均衡电路消耗一定的能量对于电源系统来说具有一定的合理性。在LEO轨道，这种均衡电路的工作时间只占10%左右，所以要达到上面论述的均衡效果，电阻值需减小10倍，可见峰值热功耗是相当大的，这是这种电路的主要缺点。另外，通断开关的实效是致命故障，所以必须采用冗余手段。3 开关电容均衡充电 开关电容均衡充电原理如图3所示，从图中可以看出，顺序开关驱动电路主要由时钟电路构成，它驱动多路开关顺序闭合，顺序把锂离子电池

56、单体接入传送电容器，通过传送单电池之间的不平衡能量，达到均衡充电的目的。同时，通过测量传送电容器上的电压来监测各个单电池的电压。若某个单电池发生短路故障，低电压比较器输出开关禁止信号，禁止短路的单电池接入传送电容器，防止影响其他单电池的正常工作，同时给恒流恒压变换器送入电池低电压报警信号，使恒流恒压变换器根据单电池短路的情况确定正确的恒定电压。这种均衡电路的最大优点是能源浪费极低，缺点是电路复杂，多路开关的通态电阻、高共模限制都会影响均衡充电的实现。另一方面，参数选取比较困难，针对不同的电源系统配置，电路参数需详细的设计与验证，这对研制周期是不利的。4 降压型变换器均衡充电 降压型变换器均衡充

57、电原理如图4所示。降压型变换器均衡充电方案也是一种低消耗的均衡方案。它的思路很清晰，主回路是标准的降压式调节器，在储能电感上增加多组相同的次绕组，用于电池单体的辅助充电。显然，电压低的单电池会从次绕组上得到更多的能量，电压高的得到能量少，这样就达到了均衡充电的目的。为了得到良好的均衡效果，次绕组的一致性需要严格控制。但电感绕组的一致性是非常难于控制的，因此这是这种控制方法的一个最大缺点。这种充电方式的研究刚刚起步，充电效率、均衡效果、可靠性分析等需要进一步的深入研究。5 平均电池电压均衡充电 平均电池电压均衡充电原理如图5所示，图中只给出了一只单电池的均衡电路，其他各单电池也配备相同的均衡电路

58、，其中，放大器由单电池供电。这种均衡充电控制电路的思路是：单电池电压与平均单电池电压相比较，控制功率开关将电池电压高于平均电压的单电池分流。因此，所有单电池电压在均衡电路的作用下趋向平均电池电压。此电路初看起来是开环控制，实际上由于电池内阻的作用，均衡电路工作在具有负反馈特性的闭环状态。为了防止均衡电路在电池组放电时工作，可以在功率开关下端串联稳压二极管，这样在电池放电时，电池电压较低而失去分流回路。平均电池电压均衡充电电路模式已经深入研究，被认为是效果非常好的方案。这种电路被列入LEO轨道锂离子电池应用的首选方案，已经申请了法国和欧洲的专利。5.2保护项目及注意事项1.电压保护：过充，过放，

59、这要根据电池的材料不同而有所改变，这点看似简单，但要细节上来看，还是有经验学问的。过充保护，在我们以往的单节电池保护电压都会高出电池充饱电压50150mV。但是动力电池不一样，如果你要想延长电池寿命，你的保护电压就选择电池的充饱电压，甚至还要比此电压还低些。比如锰锂电池，可以选择4.18V4.2V。因为它是多串数的，整个电池组的寿命容量主要是以容量最低的那颗电池以准，小容的总是在大电流高电压工作，所以衰减加快。而大容量每次都是轻充轻放，自然衰减要慢得多了。为了让小容量的电池也是轻充轻放，所以过充保护电压点不要选择太高。这个保护延时可以做到1S,防止脉冲的影响从而保护。过放保护，也是与电池的材料

60、有关，如锰锂电池一般选择在2.8V3.0V。尽量要比它单颗电池过放的电压稍高点。因为，在国内生产的电池，电池电压低于3.3V后，各颗电池的放电特性完全不一，因此是提前保护电池，这样对电池的寿命是一个很好的保护。总的一点就是尽量让每一颗电池都工作在轻充轻放下工作，一定是对电池的寿命是一个帮助。过放保护延滞时间，它要根据负载的不同而有所改变，比如电动工具类的，他的启动电流一般都在10C以上，因此会在短时间内把电池的电压拉到过放电压点从而保护。此时无法让电池工作。这是值得注意的地方。致谢经过过了六个多月的努力，我终于完成了我的毕业设计。在此，我谨对给予过我帮助的老师和同学表达最诚挚的谢意！首先衷心感

61、谢的是我的指导老师张琪老师。张琪老师严谨的学风，渊博的学识，严谨的治学态度，以及严于律己、宽以待人的高尚品德都是我学习的楷模，必将使我受益终生。在这一个学年里，张老师给予了我许多无私的指导和帮助。正是由于张老师的悉心指导和严格要求，我才能够按时按质地完成本次的毕业设计。在这里，还要特别感谢王涛老师、，我之所以能够顺利地完成毕业设计任务，同样得到了王涛老师的大力帮助。最后我还要感谢学院所有领导和老师们的教诲，感谢我周围的同学们对我的帮助和支持，感谢我的家人、朋友们对我的关心。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。我愿在未来的学习和工作过程中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老

62、师、同学和朋友们。在此，我祝他们永远幸福安康！参考文献1 朱毅. 单节锂离子电池保护电路 P. 发明专利申请公开说明书. 中国，CN1507128A， 2004-6-232 李武岐. 智能型锂电池充电保护电路 P. 中国，CN201126961Y，2008-10-13 何岳明. 多节串联锂电池的充放电保护电路 P. 中国，CN101098074A，2008-1-24 蒋新华，冯毅，解晶莹. 锂离子蓄电池保护电路发展现状及趋势 J. 电源技术，2004，28（9）：588-5915 匿名. 锂电池保护IC的重要性 EB/OL. 来源于电源网技术论坛，2010-26 田中俊. 用于锂电池的保护芯片 J. 电源技术，2009，33（10）：887-8887 金里. 锂离子电池及其保护电路 J. 电子产品世界，2000（3），14-158 田中俊. 锂电池的