01

鋰動力電池保護(hù)板構(gòu)成

鋰動力電池保護(hù)板是針對鋰動力電池設(shè)計的起保護(hù)作用的集成電路板，鋰動力電池需要保護(hù)是由其本身特性決定的。由于鋰動力電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，因此在設(shè)計鋰動力電池包時，會附帶設(shè)計一塊保護(hù)板。

鋰動力電池保護(hù)板通常由控制IC、開關(guān)管、精密采用電阻、NTC、PTC、ID存儲器等構(gòu)成，控制IC在鋰動力電池包一切正常的情況下控制開關(guān)管導(dǎo)通，使電芯與外電路溝通，而當(dāng)電芯電壓或回路電流、溫度超過規(guī)定值時，它立刻（數(shù)十毫秒）控制開關(guān)管關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。

NTC是Negative temperature coefficient的縮寫，即負(fù)溫度系數(shù)電阻，在環(huán)境溫度升高時，其阻值降低。ID存儲器常為單線接口存儲器，在ID存儲器存儲著鋰動力電池包種類、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，是正溫度系數(shù)電阻，鋰動力電池包產(chǎn)品內(nèi)PTC可以防止鋰動力電池包高溫放電和不安全的大電流的發(fā)生，根據(jù)鋰動力電池包的電壓、電流密度特性和應(yīng)用環(huán)境，對PTC有專門的要求。PTC是鋰動力電池包產(chǎn)品內(nèi)一個非常重要的部件，對鋰動力電池包的安全擔(dān)負(fù)著重要使命，它本身的性能和品質(zhì)也是鋰動力電池包性能和品質(zhì)的一個重要因數(shù)。

02

過流保護(hù)

鋰動力電池包的過流保護(hù)定義：當(dāng)電池組P+與P-輸出電流超過過流/短路電流值，并達(dá)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。電流過大產(chǎn)生熱量累積是需要一個持續(xù)的過程，所以過電流一般會有兩重保護(hù)，第一重保護(hù)的設(shè)定值比較小，延時時間比較長，第二重保護(hù)的設(shè)定值比較大，延時時間很短。當(dāng)過電流保護(hù)動作后，回路電流瞬間就變成了0A，要想恢復(fù)保護(hù)狀態(tài)，一般有兩種條件 ：

1）不需要人工干預(yù)，在經(jīng)過一段時間之后，自動打開回路，如果此刻依然為過流狀態(tài)，則鋰動力電池包又會進(jìn)入保護(hù)，若過流解除，鋰動力電池包將進(jìn)入工作狀態(tài)。

2）需要人工干預(yù)，等負(fù)載或者充電機(jī)移除后，人工復(fù)位過電流保護(hù)。

鋰動力電池包在對負(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，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，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(jìn)行檢測，若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓?，使回路電流增大，?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(hù)作用。

在控制IC檢測到過電流發(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，以避免因干擾而造成誤判斷。在上述控制過程中，其過電流檢測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(hù)值越小。

03

短路保護(hù)

短路保護(hù)其實也是過電流保護(hù)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，這樣產(chǎn)生的熱量也是無限大，如果要等到軟件反應(yīng)過來再保護(hù)，鋰動力電池包可能已損壞，因此，對于短路保護(hù)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)鋰動力電池包P+與P-輸出電流超過短路電流值，并達(dá)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(hù)是過電流保護(hù)的一種極限形式，其控制過程及原理與過電流保護(hù)一樣，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0Ω）使保護(hù)板的負(fù)載電流瞬時達(dá)到設(shè)定值，保護(hù)板立即觸發(fā)短路保護(hù)。

電池保護(hù)板原理圖，先看看池保護(hù)板概述，顧名思義鋰電池保護(hù)板主要是針對可充電（一般指鋰電池）起保護(hù)作用的集成電路板。鋰電池（可充型）之所以需要保護(hù)，是由它本身特性決定的。由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，因此鋰電池鋰電組件總會跟著一塊帶采樣電阻的保護(hù)板和一片電流保險器出現(xiàn)。

鋰電池的保護(hù)功能通常由保護(hù)電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成，保護(hù)板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時刻準(zhǔn)確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，及時控制電流回路的通斷；PTC在高溫環(huán)境下防止電池發(fā)生惡劣的損壞。

04

電池保護(hù)板原理圖

電池保護(hù)板原理圖解析如下文，普通鋰電池保護(hù)板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存儲器等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開關(guān)導(dǎo)通，使電芯與外電路導(dǎo)通，而當(dāng)電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時，它立刻控制MOS開關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。

在保護(hù)板正常的情況下，Vdd為高電平，Vss,VM為低電平，DO、CO為高電平，當(dāng)Vdd,Vss,VM任何一項參數(shù)變換時，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。

1、過充電檢出電壓：在通常狀態(tài)下，Vdd逐漸提升至CO端由高電平 變?yōu)榈碗娖綍rVDD-VSS間電壓。

2、過充電解除電壓：在充電狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至CO端由低電平 變?yōu)楦唠娖綍rVDD-VSS間電壓。

3、過放電檢出電壓：通常狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至D O端由高電平 變?yōu)榈碗娖綍rVDD- VSS間電壓。

4、過放電解除電壓：在過放電狀態(tài)下，Vdd逐漸上升到DO端由低電平 變?yōu)楦唠娖綍r VDD-VSS間電壓 。

5、過電流1檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM逐漸升至DO由高電平 變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。

6、過電流2檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM從OV起以1ms以上4ms以下的速度升到 DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。

7、負(fù)載短路檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM以O(shè)V起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。

8、充電器檢出電壓：在過放電狀態(tài)下，VM以O(shè)V逐漸下降至DO由低電平變?yōu)樽優(yōu)楦唠娖綍rVM-VSS間電壓。

9、通常工作時消耗電流：在通常狀態(tài)下，流以VDD端子的電流（IDD）即為通常工作時消耗電流。

10、過放電消耗電流：在放電狀態(tài)下，流經(jīng)VDD端子的電流（IDD）即為過流放電消耗電流。

11、通常狀態(tài)：電池電壓在過放電檢出電壓以上（2.75V以上），過充電檢出電壓以下（4.3V以下），VM端子的電壓在充電器檢出電壓以上，在過電流/檢出電壓以下（OV）的情況下，IC通過監(jiān)視連接在VDD-VSS間的電壓差及VM-VSS間的電壓差而控制MOS管，DO、CO端都為高電平，MOS管處導(dǎo)通狀態(tài)，這時可以自由的充電和放電；

當(dāng)電池被充電使電壓超過設(shè)定值VC(4.25-4.35V)后，VD1翻轉(zhuǎn)使Cout變?yōu)榈碗娖剑琓1截止，充電停止，當(dāng)電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V)時，Cout變?yōu)楦唠娖?，T1導(dǎo)通充電繼續(xù)， VCR小于VC一個定值，以防止電流頻繁跳變。

當(dāng)電池電壓因放電而降低至設(shè)定值VD（2.3-2.5V）時， VD2翻轉(zhuǎn)，以IC內(nèi)部固定的短時間延時后，使Dout變?yōu)榈碗娖?，T2截止，放電停止。

電池保護(hù)板原理圖

當(dāng)電路放電電流超過設(shè)定值或輸出被短路時，過流、短路檢測電路動作，使MOS管（T2）關(guān)斷，電流截止。

該保護(hù)回路由兩個MOSFET（T1、T2）和一個控制IC（N1）外加一些阻容元件構(gòu)成?？刂艻C負(fù)責(zé)監(jiān)測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，C2為延時電容，該電路具有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(hù)與短路保護(hù)功能，其工作原理分析如下：

1、短路保護(hù)

電池在對負(fù)載放電過程中，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，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)榱汶妷海筎2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)的延時時間極短，通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護(hù)類似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時時間也不一樣。

2、過放電保護(hù)

電池在對外部負(fù)載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續(xù)對負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。

在電池放電過程中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使T2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對負(fù)載進(jìn)行放電，起到過放電保護(hù)作用。而此時由于T2自帶的體二極管VD2的存在，充電器可以通過該二極管對電池進(jìn)行充電。

3、過充電保護(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，隨著充電過程，電壓會上升到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，直至電流越來越小。

電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過4.3V時，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。

在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓達(dá)到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筎1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)作用。而此時由于T1自帶的體二極管VD1的存在，電池可以通過該二極管對外部負(fù)載進(jìn)行放電。

在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關(guān)斷T1信號之間，還有一段延時時間，該延時時間的長短由C2決定，通常設(shè)為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

4、過電流保護(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2C（C=電池容量/小時），當(dāng)電池超過2C電流放電時，將會導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。

電池在對負(fù)載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個MOSFET時，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，該電壓值U=I*RDS*2, RDS為單個MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進(jìn)行檢測，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，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使T2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(hù)作用。

5、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)通電阻對電路的性能影響很小。

05

電池保護(hù)板的主要作用

1、電流保護(hù)：它主要體現(xiàn)在工作電流與過電流使開關(guān)MOS斷開從而保護(hù)電池組或負(fù)載。

2、電壓保護(hù)：過充，過放，這要根據(jù)電池的材料不同而有所改變，過充保護(hù)，在我們以往的單節(jié)電池保護(hù)電壓都會高出電池充飽電壓50~150mV。但是動力電池不一樣，如果你要想延長電池壽命，你的保護(hù)電壓就選擇電池的充飽電壓，甚至還要比此電壓還低些。

3、短路保護(hù)：短路的意思就是將電池的輸出端連接在一起，短路是一種非常危險的現(xiàn)象，很多時候電池冒煙、爆炸都是由短路引起的，如果電芯的容量比較大，放電比率也比較大的話，一根很粗的銅線，瞬間會燒沒有，可想而知有多么的危險，短路保護(hù)的原理就是當(dāng)芯片檢測到用戶將P+P-或者意外連接起來的時候，會瞬間斷開電池的輸出端，從而達(dá)到保護(hù)的效果。

4、溫度保護(hù)：一般在智能電池上都會用到，也是不可少的。但往往它的完美總會帶來另一方面的不足。我們主要是檢測電池的溫度來斷開總開關(guān)來保護(hù)電池本身或負(fù)載。

5、自耗電量, 這個參數(shù)是越小越好，最理想的狀態(tài)是為零，但不可能做到這一點。

6、MOS保護(hù)：主要是MOS的電壓，電流與溫度。當(dāng)然就是牽扯到MOS管的選型了。MOS的耐壓當(dāng)然要超過電池組的電壓，這是必須的。

7、均衡：目前最通用的均衡方式分為兩種，一種就是耗能式的，另一種就是轉(zhuǎn)能式的。

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審核編輯 黃宇