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电池保护板科普小知识
发布时间:2016-2-24 10:36:43                  点击次数:467

电池保护板

电池保护板,顾名思义电池保护板主要是针对可充电(一般指锂电池)起保护作用的集成电路板。 锂电池(可充型)所以需要保护,是由它本身特性决定的。由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电,因此锂电池锂电组件总会跟着一块带采样电阻的保护板和一片电流保险器出现。

定义

锂电池的保护功能通常由保护电路板和PTC或TCO等电流器件协同完成,保护板是由电子电路组成,在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流,即时控制电流回路的通断;PTC或TCO在高温环境下防止电池发生恶劣的损坏。

保护板通常包括控制IC、MOS开关、JEPSUN捷比信精密电阻及辅助器件NTC、ID存储器,PCB等。其中控制IC,在一切正常的情况下控制MOS开关导通,使电芯与外电路沟通,而当电芯电压或回路电流超过规定值时,它立刻(数十毫秒)控制MOS开关关断,保护电芯的安全。

NTC是Negative temperature coefficient的缩写,意即负温度系数,在环境温度升高时,其阻值降低,使用电设备或充电设备及时反应、控制内部中断而停止充放电。

ID存储器常为单线接口存储器,ID是Identification 的缩写即身份识别的意思,存储电池种类、生产日期等信息。可起到产品的可追溯和应用的限制。

PTC是英文Positive Temperature Coefficient的缩写,意思是正温度系数。专业里面通常把正温度系数器件简称为PTC,电池产品里PTC可以防止电池高温放电和不安全的大电流的发生,根据电池的电压、电流密度特性和应用环境,对PTC有专门的要求。

PTC是电池组件产品里一个非常重要的部件,对电池的安全担负着重要使命,它本身的性能和品质也是电池组性能和品质的一个重要因数。

保护板对单一电芯保护时,保护板设计会相对简单,技术性较高的地方在于,比如对动力电池保护板设计需要注意的电压平台问题,动力电池在使用中往往被要求很大的平台电压,所以设计保护板时尽量使保护板不影响电芯放电的电压,这样对控制IC,精密电阻等元件的要求就会很高,一般国产IC能满足大多数产品要求,特殊可以采用进口产品,电流采样电阻则需要使用JEPSUN捷比信电阻,以满足高精密度,低温度系数,无感等要求。对多电芯保护板设计,则有更高的技术要求,按照不同的需要,设计复杂程度各不相同的产品。

主要技术功能:

1、过充保护 2、过放保护 3、过流、短路保护

手机电池启动保护后的解决方法(来源于网络):

1、用原配的直冲在手机上直接充电,会把电池保护板的保护电路自动冲开。

2、把电池的正负极瞬间短路,看到电极片上有火花就行了,多试几次,然后再用直充充电。

3、找个5V的直流电,用正负极轻触电池的正负极,多试几次,再用原充电器充。

原理

电池保护板工作原理

锂电池保护板根据使用IC,电压等不同而电路及参数有所不同,常用的保护IC有8261,DW01+,CS213,GEM5018等,其中精工的8261系列精度更好,当然价钱也更贵。后面几种都是台湾出的,国内次级市场基本都用DW01+和CS213了,下面以DW01+ 配MOS管8205A(8pin)进行讲解:

锂电池保护板其正常工作过程为:

当电芯电压在2.5V至4.3V之间时,DW01 的第1脚、第3脚均输出高电平(等于供电电压),第二脚电压为0V。此时DW01 的第1脚 、第3脚电压将分别加到8205A的第5、4脚,8205A内的两个电子开关因其G极接到来自DW01 的电压,故均处于导通状态,即两个电子开关均处于开状态。此时电芯的负极与保护板的P-端相当于直接连通,保护板有电压输出。

保护板过放电保护控制原理:

当电芯通过外接的负载进行放电时,电芯的电压将慢慢降低,同时DW01 内部将通过R1电阻实时监测电芯电压,当电芯电压下降到约2.3V时DW01 将认为电芯电压已处于过放电电压状态,便立即断开第1脚的输出电压,使第1脚电压变为0V,8205A内的开关管因第5脚无电压而关闭。此时电芯的B-与保护板的P-之间处于断开状态。即电芯的放电回路被切断,电芯将停止放电。保护板处于过放电状态并一直保持。等到保护板的P 与P-间接上充电电压后,DW01 经B-检测到充电电压后便立即停止过放电状态,重新在第1脚输出高电压,使8205A内的过放电控制管导通,即电芯的B-与保护板的P-又重新接上,电芯经充电器直接充电。

保护板过充电保护控制原理:

当电池通过充电器正常充电时,随着充电时间的增加,电芯的电压将越来越高,当电芯电压升高到4.4V时,DW01 将认为电芯电压已处于过充电电压状态,便立即断开第3脚的输出电压,使第3脚电压变为0V,8205A内的开关管因第4脚无电压而关闭。此时电芯的B-与保护板的P-之间处于断开状态。即电芯的充电回路被切断,电芯将停止充电。保护板处于过充电状态并一直保持。等到保护板的P 与P-间接上放电负载后,因此时虽然过充电控制开关管关闭,但其内部的二极管正方向与放电回路的方向相同,故放电回路可以进行放电,当电芯的电压被放到低于4.3V时,DW01 停止过充电保护状态重新在第3脚输出高电压,使8205A内的过充电控制管导通,即电芯的B-与保护板P-又重新接上,电芯又能进行正常的充放电.

保护板短路保护控制原理:

如图所示,在保护板对外放电的过程中,8205A内的两个电子开关并不完全等效于两个机械开关,而是等效于两个电阻很小的电阻,并称为8205A的导通内阻, 每个开关的导通内阻约为30m\U 03a9共约为60m\U 03a9,加在G极上的电压实际上是直接控制每个开关管的导通电阻的大小当G极电压大于1V时,开关管的导通内阻很小(几十毫欧),相当于开关闭合,当G极电压小于0.7V以下时,开关管的导通内阻很大(几MΩ),相当于开关断开。电压UA就是8205A的导通内阻与放电电流产生的电压,负载电流增大则UA必然增大,因UA0.006L×IUA又称为8205A的管压降,UA可以简接表明放电电流的大小。上升到0.2V时便认为负载电流到达了极限值,于是停止第1脚的输出电压,使第1脚电压变为0V、8205A内的放电控制管关闭,切断电芯的放电回路,将关断放电控制管。换言之DW01 允许输出的最大电流是3.3A,实现了过电流保护。

短路保护控制过程:

短路保护是过电流保护的一种极限形式,其控制过程及原理与过电流保护一样,短路只是在相当于在P P-间加上一个阻值小的电阻(约为0Ω)使保护板的负载电流瞬时达到10A以上,保护板立即进行过电流保护。

展前景

由于近几年的动力锂电池的飞速发展,无论是生产工艺还是材料技术改进上,或价格的优势,都有相当大的突破,因此它也为多并多串打下坚实的基础。替代铅酸电池的时代越来越近。无论电动自行车还是后备电源,它的市场占有率自然也开始疯狂扩大,这是不可否认的事实。那么,为了电池的安全与寿命,锂电池的有效保护自然也少不了,此时保护板在电池包内也是一个非常核心的部件之一。

理论上来讲,动力多串电池保护板已经没有太多的电子技术含量了,比如电路与软件处理,有太多的选择。其主要是把保护部分如何做到稳定,可靠,更安全,更实用,当然价格也是其中之一。想要真正的想把它做好,那是一件非常复杂细心而又漫长的轮回工作。如果要按经验与技术值的占比比值的话,技术只占20% 。经验要占到80% 。做好动力电池保护板没有个三五年的经验,还是有困难的。当然做好与能做是两回事。为什么会有这样的结论呢?这是有依据的。说实话,保护板的方案电路并不复杂,只要在电池电子行业工作了一两年,设计个电路与抄袭人家一个电路不是什么难事。比如:多串动力电池他主要是高电压,大电流,高内阻工作(微电流),电池包工作环境的考量等等,这都牵扯到多年的电子专业综合经验。大到要对整个PACK的了解,小到一个电阻,电容或晶体管的选型,或是布板时的注意细节。总的一句话,保护板主要是稳定,可靠,安全的保护电池组,保证电池组的正常安全使用或使用得更久,其它添加的特有技术与功能,都是浮云。

主要作用

1.电压保护:过充,过放,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50~150mV。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4.18V~4.2V。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,小容量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,也是与电池的材料有关,如锰锂电池一般选择在2.8V~3.0V。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。

2.电流保护:它主要体现在工作电流与过电流使开关MOS断开从而保护电池组或负载。

MOS管的损坏主要是温度急剧升高,它的发热也是电流的大小及 本身的内阻来决定的,当然小电流,对MOS没什么影响,但是大电流呢,这个就要好好做些处理了, 在通过额定电流时,小电流10A以下,我们可以直接用电压来驱动MOS管。大电流,一定是要加驱动,给MOS足够大的驱动电流。以下在MOS管驱动有讲到

工作电流,在设计的时候,MOS管上不能存在超过0.3W的功率。计算工式:I2*R/N。R为MOS的内阻,N为MOS的数量。如果功率超过,MOS会产生25度以上的温升,又因它们都是密封的,就算有散热片,长时间工作时,温度还是会上去,因为他没地方可散热。当然MOS管是没任何问题,问题是他产生热量会影响到电池,毕竟保护板是与电池放在一起的。

过流保护(最大电流),此项是保护板必不可少的,非常关键的一个保护参数。保护电流的大小与MOS的功率息息相关,因此在设计时,要尽量给出MOS能力的余量。在布板的时候,电流检测点一定要选好位置,不能只接通就行,这需要经验值。一般建议接在检测电阻的中间端。还要注意电流检测端的干扰问题,因为它的信号很容易受到干扰。

过流保护延时,它也是要根不同的产品做相应的调整。在此不多说了。

3.短路保护:严格来讲,他是一个电压比较型的保护,也就是讲是用电压的比较直接关断或驱动的,不要经过多余的处理。

短路延时的设置也很关键,因为在我们的产品中,输入滤波电容都是很大的,在接触时第一时间给电容充电,此时就相当于电池短路来给电容充电。

4.温度保护:一般在智能电池上都会用到,也是不可少的。但往往它的完美总会带来另一方面的不足。我们主要是检测电池的温度来断开总开关来保护电池本身或负载。如果是在一个恒定的环境条件下,当然不会有什么问题。由于电池的工作环境是我们不可控的,太多太复杂的变化,因此不好选择。如在北方的冬天,我们定在多少合适?又如夏天的南方地区,又定多少合适?显然范围太宽不可控的因素太多,仁者见仁,智者见智的去选择了。

5.MOS保护:主要是MOS的电压,电流与温度。当然就是牵扯到MOS管的选型了。MOS的耐压当然要超过电池组的电压,这是必须的。电流讲的是在通过额定电流时MOS管体上的温升了一般不超过25度的温升,个人经验值,只供参考。

MOS的驱动,也许会有的人会讲,我有用低内阻大电流的MOS管,但为何还有蛮高的温度?这是MOS管的驱动部分没有做好,驱动MOS要有足够大的电流,具体多大的驱动电流,要根据功率MOS管的输入电容来定。因此,一般的过流与短路驱动都不能用芯片直接驱动,一定要外加。在大电流(超过50A)工作时,一定要做到多级多路驱动,才能保证MOS的同一时间同一电流正常打开与关闭。因为MOS管有一个输入电容, MOS管功率,电流越大,输入电容也就越大,如果没有足够的电流,不会在短时间做出完整的控制。尤其是电流超过50A时,电流设计上更要细化,一定要做到多级多路驱动控制。这样才能保证MOS的正常过流与短路保护。

MOS电流平衡,主要讲的是多颗MOS并起来用时,要让每一颗MOS管通过的电流,打开与关闭时间都是一致的。这就要在画板方面入手了,它们的输入输出一定要对称,一定要保证每一个管子通过的电流是一致这才是目的。

6.自耗电量, 这个参数是越小越好,最理想的状态是为零,但不可能做到这一点。就是因为人人都想把这个参数做小,有很多人的要求更低,甚至离谱,我们想想,保护板上有芯片,它们是要工作的,可以做到很低,但是可靠性呢?应该是在性能可靠完全OK的情况下再来考量自耗电的问题。有些朋友也许进入了误区,自耗电分为整体的自耗电和每一串的自耗电。

整体自耗电,如果在100~500uA都是没什么问题的,因为动力电池的容量本身就很大。当然电动工具的另外分析。如5AH的电池,放电500uA,要放多久,因此对整个电池组来讲是很微弱的。

每串自耗电才最关键的,这个也不可能为零,当然也是在性能完全可行情况下进行,但有一点,每一串的自耗电量一定要一致,一般每一串的差别不能超过5uA。这点大家应该知道,如果每一串的自耗电不一时,那么在长时间搁置下,电池的容量一定会产生变化的。

7.均衡:均衡这一块是此文章的论述的重点。目前最通用的均衡方式分为两种,一种就是耗能式的,另一种就是转能式的。

A耗能式均衡,主要是把多串电池中某节电池的电量或电压高的用电阻把多余的电能损耗掉。它也分如下三种。

一,充电时时均衡,它主要是在充电时任何一颗电池的电压高出所有电池平均电压时,它就启动均衡,无论电池的电压在什么范围,它主要是应用在智能软件方案上。当然如何定义可以由软件任意调整。此方案的优点它能有更多的时间去做电池的电压均衡。

二,电压定点均衡,就是把均衡启动定在一个电压点上,如锰锂电池,很多就定在4.2V开始均衡。这种方式只是在电池充电的末端进行,所以均衡时间较短,用处可想而知。

三,静态自动均衡,它也可以在充电的过程中进行,也可以在放电时进行,更有特点的是,电池在静态搁置时,如果电压不一致时,它也在均衡着,直到电池的电压达到一致。但有人认为,电池都没工作了,为什么保护板还是在发热呢?

以上三种方式都以是参考电压来实现均衡的。但是,电池电压高不一定代表容量就高,也许截然相反。以下论述。

其优点就是成本低,设计简单,在电池电压不一致时能起到一定的作用,主要体现在电池长时间搁置自耗引起的电压不一致。理论上是有微弱的可行性。

缺点,电路复杂,元件多,温度高,防静电差,故障率高。

具体探讨如下。

当新单体电池分容分压分内阻过后组成PACK,总会有各别的单体容量偏低,而往往容量最低的那颗单体,在充电的过程中电压一定是上升最快的,也是它最先到达启动均衡电压的,此时,大容量的单体还没达到电压点而没有启动均衡,小容量的确开始均衡了,这样每一次的循环工作,这颗小容量的单体一直处于饱充饱放的状态下工作,而它也是衰老最快的,同时内阻自然也会慢慢的比其它的单体增高,从而形成一个恶性循环。这是一个极大的弊端。

元件越多,故障率自然就高了。

温度,可想而知,耗能式的,是想把所谓多余的电量用电阻以发热的形式来耗掉多余的电能,它确成了名副其实发热源。而高温对电芯本身来讲是非常致命的一个相当因素,它可能会让电池燃烧,也可能会引起电池爆炸。本来我们是在想尽一切办法去减少整个电池包的温度产生,而耗能均衡呢?同时它的温度高得惊人,大家可以去测试一下,当然是在全封闭的环境下。总的来说,它是一个发热体,热是电池的致命天敌。

静电,我个人设计保护板时,从来不用小功率的MOS管,哪怕一颗都不用。因为本人在这一块吃过太多的亏了。就是MOS管的静电问题。先不说小MOS在工作的环境,就说在生产加工PCBA贴片时,如果车间的湿度低于60%,小MOS生产出来的不良率都会超过10%以上,然后再湿度调到80%。小MOS的不良率为零。可以试试。这要表明一个什么问题呢?如果我们的产品在北方的冬天,小MOS是否能通过,这需要时间来验证的。再有,MOS管的损坏只有短路,如果短路那可想而知,就意味着这组电池马上要损坏。更何况我们的均衡上的小MOS用得还不少呢。这时有人会恍然,难怪退回来的货,都是因为均衡坏掉而引起单体电池损坏,而且都是MOS坏掉了。这时电芯厂与保护板厂开始扯皮了。是谁的错呢?

B能量转移式均衡,它是让大容量的电池以储能的方式转移到小容量的电池,听起来感觉很智能很实用。它也分容量时时均衡与容量定点均衡。它是以检测电池的容量来做均衡的,但是好像没考虑到电池的电压。可以想想,以10AH的电池组为例,假如电池组中有一颗容量在10.1AH,一颗容量小点的在9.8AH,充电电流为2A,能量均衡电流为0.5A。这时10.1AH的要给小容量9.8AH的转能充电,而9.8AH的电池充电电流就是2A+0.5A=2.5A,这时9.8AH电池的充电电流就是2.5A,这时9.8AH的容量是补进去了,可是9.8AH电池的电压会是多少呢?显然会比其它电池的上升得更快,如果到了充电末端,9.8AH的一定会大大提前过充保护,在每一次的充放电循环,小容量电池一直处在深充深放的状态。而其它电池是否有充饱,不确定因素太多。微弱直观的就小分析到这,分析太多怕不知所云。

其它相关


如果坚持要用到均衡功能的人,我可以断定此人没有大批量生产动力电池保护板或PACK的经验。如果有大批量生产过,他一定会在均衡上吃不少的亏。个人认为,均衡利用保护板来实现,有点滑稽。因为保护板就是保护的,它只做电池在最极端的时候起到有效的保护作用,它没有能力去把电池的性能提高,保护板只是一个被动部分,难道家里的保护丝或保护开关能提高家里的电量?当然不可能。它只起到保护作用。

电芯

电芯才是主动器件,我们要提高的是电芯上的性能与技术,主要是一致性。再说均衡做在保护板上,不管是从理论上还是实际应用中,它有弊有利,但在理论上,均衡有一定的作用,但用处多大,显然可见。为何?因为充电一般都是在2~10A的电流,而均衡我们最多只能做到200mA。这个差别太多,同时有些均衡方案是在充电电压的末端启动,更显得于事无补啊。而它有弊端的一面,太多太多。

端口

VDD是IC电源正极,VSS是电源负极,V-是过流/短路检测端,Dout是放电保护执行端,Cout是充电保护执行端.2,保护板端口说明:B+,B-分别是接电芯正极,负极;P+,P-分别是保护板输出的正极,负极;T为温度电阻(NTC)端口,一般需要和用电器的MCU配合产生保护动作,后面会介绍,这个端口有时也标为ID,意即身份识别端口,这时,R3一般为固定阻值的电阻,让用电器的CPU辨别是否为指定的电池。

1、输出负极、充电负极、电池负极、必须按顺序接线,不要反接线路以免烧坏电路元件

2、充电线,放电线,电池负极。尽量用粗线,否则会通不过大电流,会起到过流保护,造成电路不工作

3、电池正极输出不用经过保护电路,直接连接输出

电池保护板安全作用

保护板作为锂电池的另一重要元件,能够在电池使用中起到过温、短路、电压等多重保护。但是,很多便宜的产品还会在保护板上压缩成本。其实,保护板的成本很低,有的只要几毛钱,普通产品在六七元,高端的也就10元上下,在整个产品成本中占比不到两成。但即使这样,部分厂家甚至干脆把保护板省略,只有一块电池加外包装就上市了,使用时随时可能产生险情发生起火,爆炸。为了更好的使用锂电池,避免锂电池使用上安全事故以及延长锂电池的使用寿命,所以,锂电池保护板成了锂电池就用上关键零部件,基本上一块成品锂电池至少要包含一块锂电池保护板,锂电池电芯,保护板,外壳包装成了锂电池包(PACK)构成必要的三要素,很大程度上,锂电池使用上是否安全可靠,除了质量外,锂电池保护板能否有效起到保护作用,成了绝对关键的因素。

锂电池保护板的有效检测是一个比较困难的问题,锂电池保护板涉及到参数很多,而且要求精度都比较高,比如过充电保护电压要求达到±25mV,而且由于锂电池保护板的保护一般都有延时时间,所以,测试保护板的时候,测量精度和测试时间构成很大的矛盾,为了获得足够的测量精度,必须要很长时间的测量时间,目前的测试仪,为了测量4个参数,居然需要10-20秒以上的时间,这对于实验室测试还可以接受,但是对于工厂大批量出货来讲,这种测试速度几乎是不可接受的,为了解决这个问题,宏大电子设备特地精心开发了一种多功能锂电池保护板测试仪,特设几种测量模式,依照不同要求,可以以不同的测试速成度来获得不同的测试功能,快速测试最快仅需要1秒钟(针对于延时时间比较短的保护板),获得精确的测量结果,也可以设置精确测试量模式,可以以最快的速度获得过时间修正后的精确测量结果,电压测量精度可以达到1mV,远远高于锂电池保护IC的电压检测精度,本仪器连接上保护板,即可开始自动测试,无需按键启动,减低操作复杂程度,也提高了操作速度。同时兼顾快速批量测试和高精度测试,特设两种测试模式 1,快速测试,1秒钟内判断一块保护板好坏(根据保护延迟时间不同会有不同),启动快速测试无需按键,接上保护板自动启动测试。

2,高精度测试,5~10秒钟精确测量一块保护板的所有参数。

3,可以测试过充电保护和过放电保护延时保护时间

测试范围和精度:

1,过充电压:  4.100~4.400V ±1mV

2,过放电压:  2.00~2.90V ±1mV

3,过充恢复电压 4.0~4.2V ±1mV

4,过放恢复电压 2.5~3.0V ±1mV

5,内阻测试:  1~200mR ±1mR

6,自耗电测试: 1~100uA ±0.1uA

7, 待机耗电测试:10~100mS ±mS

8,过流保护:  0~12A ±0.01A

9,过充延时时间:10~5000mS ±1mS

10,过放电延时时间:10~100mS ±mS

11,过流保护延时:0~100mS ±1mS 





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