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
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
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单
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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
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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
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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,
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03
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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;
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技术,在5乂
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I 994-2010 0111112 八丨0 10110131 51601^0010 抑抓加叩 901180. 八I I 021113 11141. 1101