鋰動(dòng)力電池包保護板功能及接線(xiàn)
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。