電池電路工作原理電路具有過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)與短路保護(hù)功能，其工作原理分析如下：

1、正常狀態(tài)在正常狀態(tài)下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，通常小于30毫歐，因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。7|此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí)，通常小于7μA。

2、過(guò)充電保護(hù)鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過(guò)程，電壓會(huì)上升到4.2V（根據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V），轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來(lái)越小。電池在被充電過(guò)程中，如果充電器電路失去控制，會(huì)使電池電壓超過(guò)4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過(guò)4.3V時(shí)，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。

在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無(wú)法再對(duì)電池進(jìn)行充電，起到過(guò)充電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V2自帶的體二極管VD2的存在，電池可以通過(guò)該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行放電。在控制IC檢測(cè)到電池電壓超過(guò)4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號(hào)之間，還有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定，通常設(shè)為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

3、過(guò)放電保護(hù)電池在對(duì)外部負(fù)載放電過(guò)程中，其電壓會(huì)隨著放電過(guò)程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V時(shí)，其容量已被完全放光，此時(shí)如果讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。在電池放電過(guò)程中，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到過(guò)放電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V1自帶的體二極管VD1的存在，充電器可以通過(guò)該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。

由于在過(guò)放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小，此時(shí)控制IC會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個(gè)保護(hù)電路耗電會(huì)小于0.1μA。在控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定，通常設(shè)為100毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

4、過(guò)電流保護(hù)由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過(guò)2C（C=電池容量/小時(shí)），當(dāng)電池超過(guò)2C電流放電時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。電池在對(duì)負(fù)載正常放電過(guò)程中，放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí)，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓值U=I*RDS*2,RDS為單個(gè)MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-”腳對(duì)該電壓值進(jìn)行檢測(cè)，若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓＃够芈冯娏髟龃?，?dāng)回路電流大到使U>0.1V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過(guò)電流保護(hù)作用。

在控制IC檢測(cè)到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。在上述控制過(guò)程中可知，其過(guò)電流檢測(cè)值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通阻抗越大時(shí)，對(duì)同樣的控制IC，其過(guò)電流保護(hù)值越小。

5、短路保護(hù)電池在對(duì)負(fù)載放電過(guò)程中，若回路電流大到使U>0.9V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，控制IC則判斷為負(fù)載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短，通常小于7微秒。其工作原理與過(guò)電流保護(hù)類似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不一樣。

以上詳細(xì)闡述了單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路的工作原理，多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護(hù)原理與之類似，在此不再贅述，上面電路中所用的控制IC為日本理光公司的R5421系列，在實(shí)際的電池保護(hù)電路中，還有許多其它類型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、臺(tái)灣富晶的FS312和FS313系列、臺(tái)灣類比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小異，只是在具體參數(shù)上有所差別，有些控制IC為了節(jié)省外圍電路，將濾波電容和延時(shí)電容做到了芯片內(nèi)部，其外圍電路可以很少，如日本精工的S-8241系列。除了控制IC外，電路中還有一個(gè)重要元件，就是MOSFET，它在電路中起著開關(guān)的作用，由于它直接串接在電池與外部負(fù)載之間，因此它的導(dǎo)通阻抗對(duì)電池的性能有影響，當(dāng)選用的MOSFET較好時(shí)，其導(dǎo)通阻抗很小，電池包的內(nèi)阻就小，帶載能力也強(qiáng)，在放電時(shí)其消耗的電能也少。

隨著科技的發(fā)展，便攜式設(shè)備的體積越做越小，而隨著這種趨勢(shì)，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)電路體積的要求也越來(lái)越小

許多新技術(shù)，在提高性能的同時(shí)也增大了系統(tǒng)的功率消耗。對(duì)生產(chǎn)電池的化工企業(yè)來(lái)說(shuō)，電池生產(chǎn)技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展是很困難的，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。所以必須尋找尋找優(yōu)化電源保存的方法。智能電池系統(tǒng)（SBS）是出現(xiàn)的最有希望的技術(shù)，可以大大提升電池組的性能。

在計(jì)算機(jī)工業(yè)界，對(duì)鋰離子電池真是又愛又怕。在鋰離子電池應(yīng)用的早期所發(fā)生的事故，仍然讓曾涉入的公司記憶猶新。他們得到了印象深刻的教訓(xùn)：在任何情況下，都不能超過(guò)鋰離子電池的額定參數(shù)，否則肯定會(huì)引起爆炸或起火。除電池的化學(xué)成份或電極等參數(shù)外，對(duì)鋰離子電池來(lái)說(shuō)，還有幾個(gè)確定的參數(shù)，如果超過(guò)了會(huì)使電池進(jìn)入失控的狀態(tài)。在解釋這些參數(shù)的圖表中（參考鋰離子參數(shù)圖），相應(yīng)閾值曲線外的任一點(diǎn)都是失控狀態(tài)。隨電池電壓增加，溫度閾值下降。另一方面，任何致使電池電壓超過(guò)其設(shè)計(jì)值的行為都會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)熱。

謹(jǐn)防充電器造成危害

電池組制造商設(shè)定了幾層電池和包裝保護(hù)，以防止危險(xiǎn)的過(guò)熱狀態(tài)。但在電池使用中有一個(gè)部件可能會(huì)使這些措施失敗從而造成危害，這一器件就是充電器。

充電鋰離子電池造成危害的途徑有三種：電池電壓過(guò)高（最危險(xiǎn)的情況）；充電電流過(guò)大（過(guò)大充電電流造成鋰電鍍效應(yīng)，從而引起發(fā)熱）；不能正確地終止充電過(guò)程，或在過(guò)低的溫度下充電。

鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)人員采取額外的預(yù)防性措施以避免超出這些參數(shù)的允許范圍。以絕對(duì)保證系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)工作在安全的范圍內(nèi)。例如智能電池充電器規(guī)范，允許-9%的電壓負(fù)偏差，但強(qiáng)調(diào)正偏差不得超過(guò)1%。保證了符合智能電池安全標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，偏差的正負(fù)是隨機(jī)的。所以符合此規(guī)范的設(shè)計(jì)經(jīng)常是使充電器的目標(biāo)電壓值設(shè)定在額定值的-4%附近。

由于充電電壓的不準(zhǔn)確（不管是-4%還是-9%），電池始終處于充電不足的狀態(tài)。對(duì)鋰離子電池潛在危險(xiǎn)的恐懼導(dǎo)致電池組容量的利用率很低。根據(jù)業(yè)界專家的經(jīng)驗(yàn)，即使充電后電壓只比額定值低0.05%，容量的下降卻高達(dá)15%。

電池內(nèi)置入計(jì)算機(jī)

智能電池技術(shù)的原理是很簡(jiǎn)單的，在電池內(nèi)置入小型計(jì)算機(jī)來(lái)監(jiān)視和分析所有的電池?cái)?shù)據(jù)，以精確預(yù)報(bào)剩余電池容量。剩余電池容量可以直接換算成便攜式計(jì)算機(jī)的剩余工作時(shí)間。與原始的僅靠電壓監(jiān)測(cè)的容量測(cè)量方法相比，可以立即使工作時(shí)間延長(zhǎng)35%。遺憾的是，智能電池技術(shù)也就只能做到這么多了。除非可以和充電器電路互相通信，他們不可以確定其操作環(huán)境或?qū)Τ潆娺^(guò)程進(jìn)行控制。

在“智能電池系統(tǒng)”環(huán)境下，在特定的電壓和電流情況下，電池請(qǐng)求智能充電器對(duì)其進(jìn)行充電。然后，智能充電器負(fù)責(zé)根據(jù)請(qǐng)求電壓和電流參數(shù)對(duì)電池進(jìn)行充電。充電器依靠自己內(nèi)部的電壓和電流參考調(diào)整自己的輸出，以與智能電池請(qǐng)求的值相匹配。由于這些基準(zhǔn)的不準(zhǔn)確度可達(dá)-9%，所以充電過(guò)程可能在電池只是部分充電的情況下結(jié)束。

對(duì)充電環(huán)境的更詳細(xì)了解可以揭示出更多影響鋰離子電池充電效率的問(wèn)題。即使在最理想的情況下，假設(shè)充電器的精確度為100%，充電通路上位于充電器的電池間的電阻元件引入了額外的壓降，特別是恒流充電階段。這些額外的壓降導(dǎo)致充電過(guò)程過(guò)早地從恒流進(jìn)入恒壓階段。由于電阻引入的壓降隨電流降低會(huì)逐漸減弱，充電器最終會(huì)完成充電過(guò)程。但充電時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。恒流充電過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)移效率要高一些。

消除電阻壓降

最理想的情況是充電器的輸出準(zhǔn)確地消除了電阻壓降的影響?？赡軙?huì)有人提出這樣的解決方案，在充電過(guò)程的所有階段，智能充電器利用智能電池內(nèi)監(jiān)測(cè)電路數(shù)據(jù)監(jiān)視并校正自己的輸出。對(duì)單個(gè)電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是可行的，但對(duì)雙或多電池系統(tǒng)就不太適用了。

在雙電池系統(tǒng)中，如果可能的話，最好是同時(shí)對(duì)兩個(gè)電池進(jìn)行充放電操作。雖然電池充電是并行的，典型的只有一個(gè)SMBUS端口的充電器還是不能勝任這一工作。因?yàn)槿绻挥幸粋€(gè)SMBUS端口，充電器或其它SMBUS設(shè)備，只能同時(shí)與一個(gè)電池進(jìn)行通信。所以，理想的系統(tǒng)應(yīng)該提供兩個(gè)或更多個(gè)SMBUS端口，這樣，兩個(gè)電池就可以同時(shí)與充電器通信了。

智能電池系統(tǒng)（SBS）管理器

除提供多個(gè)SMBUS端口以外，SBS管理器技術(shù)也可以大幅提升鋰離子智能電池的性能。SBS管理器是SBS的一部分，由SBS1.1規(guī)范所定義。它代替了前一版本中定義的智能選擇器（SmartSelector）。

SBS管理器一方面提供了與驅(qū)動(dòng)器和振作系統(tǒng)端的接口，另一方面則對(duì)智能電池和充電器進(jìn)行管理。驅(qū)動(dòng)器可讀取和請(qǐng)求發(fā)送與電池、充電器和管理器本身有關(guān)的信息。規(guī)范中定義了與這一信息傳輸有關(guān)的接口。在一個(gè)多電池系統(tǒng)中，SBS管理器負(fù)責(zé)選擇系統(tǒng)電源，決定在特定的時(shí)刻對(duì)那一塊電池進(jìn)行充電或放電。簡(jiǎn)短來(lái)說(shuō)就是，SBS管理器確定對(duì)哪一塊電池進(jìn)行充電，哪一塊進(jìn)行放電，以及什么時(shí)候進(jìn)行。

一個(gè)實(shí)現(xiàn)得好的SBS管理有幾大優(yōu)點(diǎn)：更完全、更快速的充電過(guò)程、同時(shí)進(jìn)行高效充電和放電、以及對(duì)危險(xiǎn)情況（如潛在的電壓超限）的檢測(cè)和快速反應(yīng)能力。可以監(jiān)測(cè)電池本身電壓的SBS管理器可將電池充到其真實(shí)的容量?？梢员苊庥捎谥悄艹潆娖饔捎诒O(jiān)視電壓不準(zhǔn)（如前所述，一般為-4%到-9%）而造成的充電不足。此外，這一過(guò)程并不需要特別精確的基準(zhǔn)電壓（精確的電壓基準(zhǔn)是很昂貴的）。

避免使用精確電壓基準(zhǔn)的策略是利用智能電池內(nèi)部的測(cè)量電路測(cè)量電池電壓，其精度可達(dá)1%。這樣，SBS管理器可命令充電器適當(dāng)增高電壓直到監(jiān)測(cè)到的電壓達(dá)到合適的值。實(shí)現(xiàn)得好的SBS管理器可使電池的充電過(guò)程比傳統(tǒng)充電器快16%。安全地提高充電器的輸出電壓，使其高于電池的額定電壓以補(bǔ)償由于電池的內(nèi)部電阻及回路電阻造成的壓降。通過(guò)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部電壓并可迅速調(diào)整充電器電壓，可以實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。

何時(shí)及如何充電

SBS管理器可以決定什么時(shí)候同時(shí)對(duì)電池組進(jìn)行充電。同時(shí)充電允許更好地利用充電器的電流進(jìn)行充電。在單電池系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)入恒壓充電模式時(shí)，充電器提供的充電電流隨電池充滿程度的提高而減小。沒(méi)有用到的電流被浪費(fèi)掉了。在利用SBS管理器的雙電池系統(tǒng)中就不是這樣了，對(duì)一塊電池充電時(shí)利用不上的電流可以為另一塊所用。

而且，SBS管理器可以判斷哪一塊電池的狀態(tài)可以更快地進(jìn)行能量傳輸?？梢宰羁斓卦黾酉到y(tǒng)容量的電池最先被充電，哪些可以充入更多的能量的電池則先被快速放電。這樣可以加快充電過(guò)程達(dá)60%。SBS管理器還可決定何時(shí)使能同時(shí)放電功能。適當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)放電可以使系統(tǒng)容量增加16%之多。

當(dāng)然，所有這些改進(jìn)對(duì)電池的性能來(lái)說(shuō)都必須是安全的。正如前面討論過(guò)的一樣，鋰離子電池有一額定電壓。當(dāng)加到電池上的電壓達(dá)到最大值時(shí)，充電過(guò)程從恒流轉(zhuǎn)換至恒壓模式。對(duì)這一轉(zhuǎn)換點(diǎn)的檢測(cè)，是由智能充電SBS管理器負(fù)責(zé)的，根據(jù)是測(cè)量到的電池電壓。但SBS管理器比智能充電器的巨大優(yōu)點(diǎn)是，它可以不斷監(jiān)視和校正充電器以及電池電壓。這樣在達(dá)到電池的最大容量的情況下還保證了安全。

由于計(jì)算機(jī)等設(shè)備性能不斷提高，能量的需要增長(zhǎng)很快，化學(xué)電池的改進(jìn)還無(wú)法趕上這一增長(zhǎng)速度。雖然SBS技術(shù)非常有幫助，但總會(huì)有一天僅靠SBS技術(shù)無(wú)法提供高性能系統(tǒng)需求的功率，需要更為智能化的電源管理方案。

如果那個(gè)OEM廠商可以使筆記本電腦持續(xù)工作6個(gè)小時(shí)而不會(huì)明顯地影響到性能，就會(huì)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。SBS管理器朝這一目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。