一种基于CPLD的锂离子电池充放电保护电路设计

李燕

【摘 要】锂离子电池充电及放电的特性决定了锂离子电池对保护电路的要求非常严格，常用的锂离子电池保护IC大多针对四串以下的电池包的设计，但实际使用中常常要求更大的电压和容量。本文设计了一种基于CPLD的锂离子电池保护电路，包括过充过放，过流，短路保护以及温度的监测和实时控制，并带有显示报警单元。整个电路很容易实现对四串以上的电池组的充放电保护控制，达到更大的电压和容量要求。参数控制部分由软件编程实现，易于变更，适用范围更加广泛。

【关键词】CPLD;保护电路;锂离子电池

中图分类号： TM912 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）16-0158-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.068

0 前言

锂离子电池出现在二十世纪九十年代初期，与镍镉、镍氢电池相比，它的比能量高，电压高，无记忆效应，自放电率非常低（每月2-5%），工作温度范围宽，充放电寿命长，这些独特的性能，使它在短短十几年的时间里，得到了空前的发展， 在各个领域的应用也越来越广泛。锂离子电池虽然比传统的电池性能好很多，但它对监测保护系统的要求也比传统电池的要求高，否则，将会对锂离子电池本身的造成损坏，及其它的危险。

本文采用基于CPLD为控制中心的保护电路，包括过充过放，过流，短路保护以及温度的监测和实时控制，并带有显示报警单元。整个电路很容易实现对四串以上的电池组的充放电保护控制，达到更大的电压和容量要求。參数控制部分由软件编程实现，易于变更，适用范围更加宽泛。

1 问题的提出

锂电池比较常用的充电方法是恒流恒压（CC-CV）法充电[1]，充电过程如下：开始阶段用恒流进行充电，充电电流小于0.8c，充电电压基本达到4.2V（或4.1V），这个阶段基本能达到总电量的80%;接下来是恒压充电，在恒压充电期间，充电电流渐渐减小，当电流减小到大概在0.05C时，此时电池充满。电池在充电的过程中，一旦充电器电路出现问题，导致在恒流流电阶段电池电压超过4.2V（或4.1V）后仍然继续恒流充电，电池电压必然会持续增加，直至超过4.3V，此时电池内部将可能会有大量的气体，这些气体是电池化学副反应产生的。大量的气体能使电池内部压力迅速增大，导致电池发生爆炸[2]。

锂离子电池在使用的过程，也即对负载放电的过程，电池的电压会逐渐下降，当电池容量放完时其电压降至2.4V左右，如果电池继续放电，电池电压继续降低会对电池造成永久性损坏。

因此，当锂离子电池在电压2.4V-4.25V（该值因电池不同略有不同，本文假设过充点为4.25V，过放点为2.4V）时可以正常的充电或放电，当小于2.4V时应当关断电池放电回路，禁止其对外继续供电，当大于4.25V时也应该停止充电。

此外由锂离子电池的化学特性决定，电池放电电流超过2C电流放电时，电池也会出现安全问题。此时保护电路也应该关断放电回路。

2 保护电路设计及仿真

依据前面分析的锂离子电池充放电特性，设计出的一种保护电路，原理框图如图1，整个电路以CPLD芯片为控制核心，采样电路将从电池组采样的电压电流结果送到比较电路，CPLD芯片根据电流电压比较电路和温度测检电路输入的值控制2个MOSFET的开关，MOS管作为锂离子电池组充电和放电电路的开关。电路正常情况下DE灯亮，过充过放及温度出现异常时相应的DU，DI，DT会亮，蜂鸣器报警.图2为电路图。

2.1 比较电路

图3为电压电流的比较电路，这个电路是个双限比较器，电路的工作原理如下：当Ui大于URH时也一定大于URL，所以集成运放U1的输出UO1=+UOM，U2的输出UO2=-UOM·使得二极管D4导通，D5截止，稳压管D1工作在稳压状态，输出电压UO=+UZ·当Ui小于URL时必然小于URH，所以集成运放U1的输出UO1=-UOM，UO1=-UOM，U2的输出UO2=+UOM·使得二极管D4截止， D5导通，稳压管D1工作在稳压状态，输出电压UO=+Uz·当输入电压大于URL小于URH，U1，U2的输出都等于-UOM，所以D4， D5均截止， 输出电压UO=0。

在本设计中分别调节U1的反相输入端的电阻使输入电压为4.25V，用同样的方法调节U2的同相输入端到2.4V。当比较器输入Ui大于4.25V或小于2.4V，电路输出+Uz，区于两值之间输出0。

2.2 温度检测电路

温度监测电路如图4所示.这是种恒温器电路，它检测锂离子电池充放电电路中MOSFET周围的温度，如果超过75℃就输出信号CT，控制充放电电路。

图示中RT是热敏电阻，阻值为100，RT与R1串联后接恒压源（如：+12V），RT中流经约1mA的电流。R1的电阻值远远大于RT，所以，RT热敏电阻阻值变化，不会使测量电流产生大的变化，由此可得到近似恒流的线性输出。当MOSFET周围温度低于75℃时，集成运放的同相输入端电位低于反相输入端，集成运放输出高电平;当MOSFET周围温度超过75℃，则RT阻值增大到一定数值（0℃时为100），集成运放的反相输入端电位高于同相输入端，集成运放输出变为低电平，从而控制电路充放电的开关。

2.3 过充电保护

充电时，为防止因电池内部化学反应产生的气体及温度所导致的内压上升引起安问题，需停止充电。采样电路检测电池电压，当超过4.25V时，比较器输出CU为高电平，CPLD芯片控制Q1连接的I/O口输出高电平，与DU连接的I/O口输出高电平，蜂鸣器输出高电平，充电截止，DU亮，蜂鸣器报警[3]。为避免因噪声所产生的过度充电检出误动作，需要设定延迟时间，并且延迟时间不能短于噪声的持续时间。

2.4 过放电保护

当锂电池过放电时，电池内部电解液会分解，最终造成电池特性变坏，电池的充电次数也会降低。为了防止锂电池的过度放电状态，假设锂电池接上负载，当采样电路检测到锂电池电压低于其过度放电电压检测点2.4V时，比较器输出CU为高电平，CPLD芯片控制Q2连接的I/O口输出高电平，与DU连接的I/O口输出高电平，蜂鸣器输出高电平，放电停止，DU亮，蜂鸣器报警。考虑到脉冲放电的情况，过放电检测电路也应设有延迟时间以避免发生误动作。

2.5 过电流及短路保护

当放电电流过大或发生短路时，此时过电流的检测是将功率MOSFET的Rds（on）当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形，如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电。即比较电路输出CI为高电平，CPLD芯片控制Q2截止，放电停止。过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时发生误动作。通常在过电流发生后，若能去除过电流因素（例如马上与负载脱离），将会恢复其正常状态，可以再进行正常的充放电动作。

2.6 软件设计

每次充电放电均进行一次电压电流温度一个周期的查询，实现对锂离子电池的保护，程序设计流程如图5所示[4]。

3 总结

本文依据锂离子电池特性，设计了一种基于CPLD芯片为控制核心的保护电路，外围电路简单，对大电压大容量锂电池组的控制也很容易做到。与单片机相比CPLD在芯片容量、工作速度、編程难度以及可以擦写次数上远优于单片机;因此由CPLD芯片控制的锂离子电池保护电路与现在常用的单片机控制保护电路相比，能够实现对更多电池串并联的充放电实时监测控制，同时可以增加如动态均衡、容量预测、通讯、身份识别等功能。

【参考文献】

[1]李红梅，基于混合动力汽车用动力型锂电池保护电路的研究，合肥工业大学：硕士学位论文2008

[2]Yi-Hwa Liu，Jen-Hao Teng，and Yu-Chung Lin，“Search for an optimal rapid charging pattern for lithium-ion batteries using ant colony system algorithm，”IEEE Transactions on Industrial Electronics，vol.52，Oct.2005，pp.1328-1336.

[3]李冬梅.PLD器件与EDA技术，北京广播学院出版社，2000.01.

[4]李广军，孟宪元.可编程ASIC设计及应用，电子科技大学出版社，2000.10.