1.鋰動(dòng)力電池保護板構成

鋰動(dòng)力電池保護板是針對鋰動(dòng)力電池設計的起保護作用的集成電路板，鋰動(dòng)力電池需要保護是由其本身特性決定的。由于鋰動(dòng)力電池本身的材料決定了它不能被過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路及高溫充放電，因此在設計鋰動(dòng)力電池包時(shí)，會(huì )附帶設計一塊保護板。

鋰動(dòng)力電池保護板通常由控制IC、開(kāi)關(guān)管、準確采用電阻、NTC、PTC、ID存儲器等構成，控制IC在鋰動(dòng)力電池包一切正常的情況下控制開(kāi)關(guān)管導通，使電芯與外電路溝通，而當電芯電壓或回路電流、溫度超過(guò)規定值時(shí)它立刻（數十毫秒）控制開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，保護電芯的安全。

NTC是Negative temperature coefficient的縮寫(xiě)，即負溫度系數電阻，在環(huán)境溫度升高時(shí)，其阻值降低。ID存儲器常為單線(xiàn)接口存儲器，在ID存儲器存儲著(zhù)鋰動(dòng)力電池包種類(lèi)、生產(chǎn)日期等信息，可起到產(chǎn)品的可追溯和使用壽命信息。

PTC是英文Positive Temperature Coefficient的縮寫(xiě)，是正溫度系數電阻，鋰動(dòng)力電池包產(chǎn)品內PTC可以防止鋰動(dòng)力電池包高溫放電和不安全的大電流的發(fā)生，根據鋰動(dòng)力電池包的電壓、電流密度特性和應用環(huán)境，對PTC有專(zhuān)門(mén)的要求。PTC是鋰動(dòng)力電池包產(chǎn)品內一個(gè)非常重要的部件，對鋰動(dòng)力電池包的安全擔負著(zhù)重要使命，它本身的性能和品質(zhì)也是鋰動(dòng)力電池包性能和品質(zhì)的一個(gè)重要因數。

2.鋰動(dòng)力電池保護板功能

鋰動(dòng)力電池的保護由電子電路組成，在-40℃～+85℃的環(huán)境下時(shí)刻準確的監視電芯的電壓、充放回路的電流及電芯溫度，即時(shí)控制電流回路的通斷。針對單一電芯保護的保護板設計會(huì )相對簡(jiǎn)單，而針對鋰動(dòng)力電池包保護的保護板設計，按照不同的需要，其設計復雜程度各不相同。

在鋰動(dòng)力電池包保護板設計中需要考慮的因素較多，如電壓平臺問(wèn)題，鋰動(dòng)力電池包在使用中往往被要求很大的平臺電壓，所以設計鋰動(dòng)力電池包保護板時(shí)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(huì )很高，電流采樣電阻應滿(mǎn)足高準確度，低溫度系數，無(wú)感等要求。鋰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、負極；P＋、P-分別是保護板輸出的正、負極；T為溫度電阻（NTC）端口。鋰電池保護板的主要功能有過(guò)充保護、過(guò)放保護、過(guò)流保護、短路保護、溫度保護。

（1）過(guò)充保護

鋰動(dòng)力電池包過(guò)充保護的定義：當鋰動(dòng)力電池包某一串電壓大于（過(guò)壓）值時(shí)，且達到保護延遲時(shí)間，IC控制Q2關(guān)斷充電回路。場(chǎng)效應管Q1、Q2可等效為兩只開(kāi)關(guān)，當Q1或Q2的G極電壓大于1V時(shí)，開(kāi)關(guān)管導通。導通開(kāi)關(guān)管的D、S間內阻很?。〝凳翚W姆），相當于開(kāi)關(guān)閉合；當G極電壓小于0.7V時(shí)，開(kāi)關(guān)管截止，截止的開(kāi)關(guān)管的D、S極間的內阻很大（幾兆歐姆），相當于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

在鋰動(dòng)力電池包充電時(shí)，當鋰動(dòng)力電池包通過(guò)充電器正常充電時(shí)，隨著(zhù)充電時(shí)間的增加，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當電芯電壓升高到4.4V（通常稱(chēng)為過(guò)充保護電壓）時(shí)，控制IC將判斷電芯已處于過(guò)充電狀態(tài)，控制IC將使Q2截止，此時(shí)電芯的B一極與保護電路的P-端之間處于斷開(kāi)狀態(tài)并保持，即電芯的充電回路被切斷，停止充電。

當保護電路的P＋與P-端接上放電負載后，因此時(shí)雖然過(guò)充電控制開(kāi)關(guān)管Q2截止，但其內部的二極管正方向與放電回路的電流方向相同，所以仍可對負載放電。當電芯兩端電壓低于4.3V（通常稱(chēng)為過(guò)充保護恢復電壓）時(shí)，控制IC將Q2退出過(guò)充電保護狀態(tài)，即Q2導通，即電芯的B-端與保護電路P-端又重新接上，電芯又能進(jìn)行正常的充電。

（2）過(guò)放保護

鋰動(dòng)力電池包過(guò)放保護的定義：當鋰動(dòng)力電池包某一串電壓小于（欠壓）值時(shí)，且達到保護延遲，IC控制Q1關(guān)斷放電回路。

當電芯通過(guò)外接的負載進(jìn)行放電時(shí)，鋰動(dòng)力電池包兩端的電壓將慢慢降低，同時(shí)控制IC內部將通過(guò)電阻R1實(shí)時(shí)監測鋰動(dòng)力電池包電壓，當單體電芯電壓下降到2.3V（通常稱(chēng)為過(guò)放保護電壓）時(shí)，控制IC認為單體電芯已處于過(guò)放電狀態(tài)，控制IC將使Q1截止，此時(shí)電芯的B-與P-之間處于斷開(kāi)狀態(tài)，即鋰動(dòng)力電池包的放電回路被切斷，電芯將停止放電。

保護板處于過(guò)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(mén)限電壓（一般為3.1V，通常稱(chēng)為過(guò)放保護恢復電壓），控制IC將使Q1再次導通。即鋰動(dòng)力電池包的B-與保護板的P-又重新接上，鋰動(dòng)力電池包經(jīng)充電器直接充電。

（3）過(guò)流保護

鋰動(dòng)力電池包的過(guò)流保護定義：當電池組P+與P-輸出電流超過(guò)過(guò)流/短路電流值，并達到過(guò)流延時(shí)，控制電路控制放電開(kāi)關(guān)管關(guān)斷放電回路，停止放電。電流過(guò)大產(chǎn)生熱量累積是需要一個(gè)持續的過(guò)程，所以過(guò)電流一般會(huì )有兩重保護，一重保護的設定值比較小，延時(shí)時(shí)間比較長(cháng)，二重保護的設定值比較大，延時(shí)時(shí)間很短。當過(guò)電流保護動(dòng)作后，回路電流瞬間就變成了0A，要想恢復保護狀態(tài)，一般有兩種條件 ：

1）不需要人工干預，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，自動(dòng)打開(kāi)回路，如果此刻依然為過(guò)流狀態(tài)，則鋰動(dòng)力電池包又會(huì )進(jìn)入保護，若過(guò)流解除，鋰動(dòng)力電池包將進(jìn)入工作狀態(tài)。

2）需要人工干預，等負載或者充電機移除后，人工復位過(guò)電流保護。

鋰動(dòng)力電池包在對負載正常放電過(guò)程中，放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的2個(gè)開(kāi)關(guān)管時(shí)，由于開(kāi)關(guān)管的導通阻抗，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)開(kāi)關(guān)管的導通阻抗），控制IC對該電壓值進(jìn)行檢測，若負載因某種原因導致異常，使回路電流增大，當回路電流大到使U》0.1V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，控制IC使Q1由導通轉為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過(guò)電流保護作用。

在控制IC檢測到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷信號之間有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短由C2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，其過(guò)電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于開(kāi)關(guān)管的導通阻抗，開(kāi)關(guān)管導通阻抗越大時(shí)，對同樣的控制IC，其過(guò)電流保護值越小。

（4）短路保護

短路保護其實(shí)也是過(guò)電流保護的一種，只不過(guò)當系統短路以后，電流理論上會(huì )變成無(wú)限大，這樣產(chǎn)生的熱量也是無(wú)限大，如果要等到軟件反應過(guò)來(lái)再保護，鋰動(dòng)力電池包可能已損壞，因此，對于短路保護一般是采用硬件來(lái)自動(dòng)觸發(fā)，觸發(fā)后傳遞給控制IC一個(gè)信號即可。

當鋰動(dòng)力電池包P+與P-輸出電流超過(guò)短路電流值，并達到短路延時(shí)，控制電路控制放電開(kāi)關(guān)管關(guān)斷放電回路，停止放電。短路保護是過(guò)電流保護的一種極限形式，其控制過(guò)程及原理與過(guò)電流保護一樣，短路只是在相當于在P+、P-間加上一個(gè)阻值小的電阻（約為0Ω）使保護板的負載電流瞬時(shí)達到設定值，保護板立即觸發(fā)短路保護。

（5）溫度保護

鋰動(dòng)力電池包溫度保護定義：當鋰動(dòng)力電池包的溫度達到溫度閾值時(shí)，且達到保護延遲，控制電路控制關(guān)斷充放電開(kāi)關(guān)管，停止充放電。溫度保護比較簡(jiǎn)單，溫度保護值有上限也有下限，甚至在細分還可以分為充電時(shí)的溫度保護以及放電時(shí)的溫度保護，需根據實(shí)際需要設計。

在設計時(shí)需要注意的是，在實(shí)際的測試中發(fā)現，溫度是一個(gè)比較容易抖動(dòng)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(shí)候保護值和恢復值一定要做出一個(gè)合理的區間，不然系統會(huì )不穩定。

保護板上的T端口為過(guò)溫保護端，常見(jiàn)的過(guò)溫保護電路是在T端與P-端接一只NTC電阻（見(jiàn)圖1中的R3），該電阻緊貼電芯安裝。當用鋰動(dòng)力電池包長(cháng)時(shí)間處于大功率工作狀態(tài)時(shí)，鋰動(dòng)力電池包溫度會(huì )上升，則NTC阻值會(huì )逐漸下降，鋰動(dòng)力電池包保護板的控制IC對NTC阻值進(jìn)行檢測，當阻值下降到設定閾值時(shí)，控制IC立即發(fā)出關(guān)斷充放電開(kāi)關(guān)管指令，從而達到保護鋰動(dòng)力電池包的目的。