鋰動力鋰離子電池保護板功能詳解
來源：寶鄂實業(yè)
2021-09-27 15:29
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鋰動力鋰離子電池的保護由電子電路組成，在-40℃～+85℃的環(huán)境下時刻準(zhǔn)確的監(jiān)視電芯的電壓、充放回路的電流及電芯溫度，即時控制電流回路的通斷。針對單一電芯保護的保護板設(shè)計會相對簡單，而針對鋰動力鋰離子電池組保護的保護板設(shè)計，按照不同的要，其設(shè)計復(fù)雜程度各不相同。
在鋰動力鋰離子電池組保護板設(shè)計中要考慮的因素較多，如電壓平臺問題，鋰動力鋰離子電池組在使用中往往被要求很大的平臺電壓，所以設(shè)計鋰動力鋰離子電池組保護板時盡量使保護板不影響電芯的放電電壓，這樣對控制IC、采樣電阻等元件的要求就會很高，電流采樣電阻應(yīng)滿足高精密度，低溫度系數(shù)，無感等要求。鋰離子電池保護板的電路如圖1所示，在圖1中，b＋、b-分別是接電芯的正、負(fù)極；P＋、P-分別是保護板輸出的正、負(fù)極；T為溫度電阻（NTC）端口。鋰離子電池保護板的緊要功能有過充保護、過放保護、過流保護、短路保護、溫度保護。
（1）過充保護
鋰動力鋰離子電池組過充保護的含義：當(dāng)鋰動力鋰離子電池組某一串電壓大于（過壓）最大值時，且達到保護延遲時間，IC控制Q2關(guān)斷充電回路。場效應(yīng)管Q1、Q2可等效為兩只開關(guān)，當(dāng)Q1或Q2的G極電壓大于1V時，開關(guān)管導(dǎo)通。導(dǎo)通開關(guān)管的D、S間內(nèi)阻很?。〝?shù)十毫歐姆），相當(dāng)于開封閉合；當(dāng)G極電壓小于0.7V時，開關(guān)管截止，截止的開關(guān)管的D、S極間的內(nèi)阻很大（幾兆歐姆），相當(dāng)于開關(guān)斷開。
在鋰動力鋰離子電池組充電時，當(dāng)鋰動力鋰離子電池組通過充電器正常充電時，隨著充電時間的新增，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當(dāng)電芯電壓升高到4.4V（通常稱為過充保護電壓）時，控制IC將判斷電芯已處于過充電狀態(tài)，控制IC將使Q2截止，此時電芯的b一極與保護電路的P-端之間處于斷開狀態(tài)并保持，即電芯的充電回路被切斷，停止充電。
當(dāng)保護電路的P＋與P-端接上放電負(fù)載后，因此時雖然過充電控制開關(guān)管Q2截止，但其內(nèi)部的二極管正方向與放電回路的電流方向相同，所以仍可對負(fù)載放電。當(dāng)電芯兩端電壓低于4.3V（通常稱為過充保護恢復(fù)電壓）時，控制IC將Q2退出過充電保護狀態(tài)，即Q2導(dǎo)通，即電芯的b-端與保護電路P-端又重新接上，電芯又能進行正常的充電。
（2）過放保護
鋰動力鋰離子電池組過放保護的含義：當(dāng)鋰動力鋰離子電池組某一串電壓小于（欠壓）最大值時，且達到保護延遲，IC控制Q1關(guān)斷放電回路。
當(dāng)電芯通過外接的負(fù)載進行放電時，鋰動力鋰離子電池組兩端的電壓將慢慢降低，同時控制IC內(nèi)部將通過電阻R1實時監(jiān)測鋰動力鋰離子電池組電壓，當(dāng)單體電芯電壓下降到2.3V（通常稱為過放保護電壓）時，控制IC認(rèn)為單體電芯已處于過放電狀態(tài)，控制IC將使Q1截止，此時電芯的b-與P-之間處于斷開狀態(tài)，即鋰動力鋰離子電池組的放電回路被切斷，電芯將停止放電。
保護板處于過放電狀態(tài)并一直保持到保護板的P+與P-間電壓上升到IC的門限電壓（一般為3.1V，通常稱為過放保護恢復(fù)電壓），控制IC將使Q1再次導(dǎo)通。即鋰動力鋰離子電池組的b-與保護板的P-又重新接上，鋰動力鋰離子電池組經(jīng)充電器筆直充電。
（3）過流保護
鋰動力鋰離子電池組的過流保護含義：當(dāng)電池包P+與P-輸出電流超過過流/短路電流值，并達到過流延時，控制電路控制放電開關(guān)管關(guān)斷放電回路，停止放電。電流過大出現(xiàn)熱量累積是要一個繼續(xù)的過程，所以過電流一般會有兩重保護，第一重保護的設(shè)定值比較小，延時時間比較長，第二重保護的設(shè)定值比較大，延時時間很短。當(dāng)過電流保護動作后，回路電流瞬間就變成了0A，要想恢復(fù)保護狀態(tài)，一般有兩種條件：
1）不要人工干預(yù)，在經(jīng)過一段時間之后，自動打開回路，倘若此刻仍舊為過流狀態(tài)，則鋰動力鋰離子電池組又會進入保護，若過流解除，鋰動力鋰離子電池組將進入工作狀態(tài)。
2）要人工干預(yù)，等負(fù)載或者充電機移除后，人工復(fù)位過電流保護。
鋰動力鋰離子電池組?在對負(fù)載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個開關(guān)管時，由于開關(guān)管的導(dǎo)通阻抗，會在其兩端出現(xiàn)一個電壓，該電壓值U=I×RDS×2（RDS為單個開關(guān)管的導(dǎo)通阻抗），控制IC對該電壓值進行測試，若負(fù)載因某種原由導(dǎo)致異常，使回路電流增大，當(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，控制IC使Q1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，起到過電流保護用途。
在控制IC測試到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷信號之間有一段延時時間，該延時時間的長短由C2決定，通常為13毫秒左右，以戒備因干擾而造成誤判斷。在上述控制過程中，其過電流測試值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于開關(guān)管的導(dǎo)通阻抗，開關(guān)管導(dǎo)通阻抗越大時，對同樣的控制IC，其過電流保護值越小。
（4）短路保護
短路保護其實也是過電流保護的一種，只不過當(dāng)系統(tǒng)短路以后，電流理論上會變成無限大，這樣出現(xiàn)的熱量也是無限大，倘若要等到軟件反應(yīng)過來再保護，鋰動力鋰離子電池組可能已損壞，因此，有關(guān)短路保護一般是采用硬件來自動觸發(fā)，觸發(fā)后傳遞給控制IC一個信號即可。
當(dāng)鋰動力鋰離子電池組P+與P-輸出電流超過短路電流值，并達到短路延時，控制電路控制放電開關(guān)管關(guān)斷放電回路，停止放電。短路保護是過電流保護的一種極限形式，其控制過程及原理與過電流保護相同，短路只是在相當(dāng)于在P+、P-間加上一個阻值小的電阻（約為0&）使保護板的負(fù)載電流瞬時達到設(shè)定值，保護板立即觸發(fā)短路保護。
（5）溫度保護
鋰動力鋰離子電池組溫度保護含義：當(dāng)鋰動力鋰離子電池組的溫度達到溫度閾值時，且達到保護延遲，控制電路控制關(guān)斷充放電開關(guān)管，停止充放電。溫度保護比較簡單，溫度保護值有上限也有下限，甚至在細(xì)分還可以分為充電時的溫度保護以及放電時的溫度保護，需依據(jù)實際要設(shè)計。
在設(shè)計時要留意的是，在實際的探測中發(fā)現(xiàn)，溫度是一個比較容易抖動的值（這和選用的傳感器有關(guān)，比如使用熱敏電阻），所以在判斷的時候保護值和恢復(fù)值一定要做出一個合理的區(qū)間，不然系統(tǒng)會不穩(wěn)定。
保護板上的T端口為過溫保護端，常見的過溫保護電路是在T端與P-端接一只NTC電阻（見圖1中的R3），該電阻緊貼電芯安裝。當(dāng)用鋰動力鋰離子電池組長時間處于大功率工作狀態(tài)時，鋰動力鋰離子電池組溫度會上升，則NTC阻值會逐漸下降，鋰動力鋰離子電池組保護板的控制IC對NTC阻值進行測試，當(dāng)阻值下降到設(shè)定閾值時，控制IC立即發(fā)出關(guān)斷充放電開關(guān)管指令，從而達到保護鋰動力鋰離子電池組的目的。
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