鋰動(dòng)力電池包保護(hù)板功能及接線
1.鋰動(dòng)力電池保護(hù)板構(gòu)成
鋰動(dòng)力電池保護(hù)板是針對(duì)鋰動(dòng)力電池設(shè)計(jì)的起保護(hù)作用的集成電路板,鋰動(dòng)力電池需要保護(hù)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(shè)計(jì)鋰動(dòng)力電池包時(shí),會(huì)附帶設(shè)計(jì)一塊保護(hù)板。
鋰動(dòng)力電池保護(hù)板通常由控制IC、開(kāi)關(guān)管、準(zhǔn)確采用電阻、NTC、PTC、ID存儲(chǔ)器等構(gòu)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(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(guò)規(guī)定值時(shí)它立刻(數(shù)十毫秒)控制開(kāi)關(guān)管關(guān)斷,保護(hù)電芯的安全。
NTC是Negative temperature coefficient的縮寫(xiě),即負(fù)溫度系數(shù)電阻,在環(huán)境溫度升高時(shí),其阻值降低。ID存儲(chǔ)器常為單線接口存儲(chǔ)器,在ID存儲(chǔ)器存儲(chǔ)著鋰動(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(shù)電阻,鋰動(dòng)力電池包產(chǎn)品內(nèi)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(jù)鋰動(dòng)力電池包的電壓、電流密度特性和應(yīng)用環(huán)境,對(duì)PTC有專(zhuān)門(mén)的要求。PTC是鋰動(dòng)力電池包產(chǎn)品內(nèi)一個(gè)非常重要的部件,對(duì)鋰動(dòng)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(dòng)力電池包性能和品質(zhì)的一個(gè)重要因數(shù)。
2.鋰動(dòng)力電池保護(hù)板功能
鋰動(dòng)力電池的保護(hù)由電子電路組成,在-40℃~+85℃的環(huán)境下時(shí)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(shí)控制電流回路的通斷。針對(duì)單一電芯保護(hù)的保護(hù)板設(shè)計(jì)會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單,而針對(duì)鋰動(dòng)力電池包保護(hù)的保護(hù)板設(shè)計(jì),按照不同的需要,其設(shè)計(jì)復(fù)雜程度各不相同。
在鋰動(dòng)力電池包保護(hù)板設(shè)計(jì)中需要考慮的因素較多,如電壓平臺(tái)問(wèn)題,鋰動(dòng)力電池包在使用中往往被要求很大的平臺(tái)電壓,所以設(shè)計(jì)鋰動(dòng)力電池包保護(hù)板時(shí)盡量使保護(hù)板不影響電芯的放電電壓,這樣對(duì)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(yīng)滿足高準(zhǔn)確度,低溫度系數(shù),無(wú)感等要求。鋰電池保護(hù)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(hù)板輸出的正、負(fù)極;T為溫度電阻(NTC)端口。鋰電池保護(hù)板的主要功能有過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、溫度保護(hù)。
(1)過(guò)充保護(hù)
鋰動(dòng)力電池包過(guò)充保護(hù)的定義:當(dāng)鋰動(dòng)力電池包某一串電壓大于(過(guò)壓)值時(shí),且達(dá)到保護(hù)延遲時(shí)間,IC控制Q2關(guān)斷充電回路。場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2可等效為兩只開(kāi)關(guān),當(dāng)Q1或Q2的G極電壓大于1V時(shí),開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。導(dǎo)通開(kāi)關(guān)管的D、S間內(nèi)阻很?。〝?shù)十毫歐姆),相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合;當(dāng)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(nèi)阻很大(幾兆歐姆),相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。
在鋰動(dòng)力電池包充電時(shí),當(dāng)鋰動(dòng)力電池包通過(guò)充電器正常充電時(shí),隨著充電時(shí)間的增加,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(guò)充保護(hù)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(hù)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(dāng)保護(hù)電路的P+與P-端接上放電負(fù)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(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(duì)負(fù)載放電。當(dāng)電芯兩端電壓低于4.3V(通常稱為過(guò)充保護(hù)恢復(fù)電壓)時(shí),控制IC將Q2退出過(guò)充電保護(hù)狀態(tài),即Q2導(dǎo)通,即電芯的B-端與保護(hù)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(hù)
鋰動(dòng)力電池包過(guò)放保護(hù)的定義:當(dāng)鋰動(dòng)力電池包某一串電壓小于(欠壓)值時(shí),且達(dá)到保護(hù)延遲,IC控制Q1關(guān)斷放電回路。
當(dāng)電芯通過(guò)外接的負(fù)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(nèi)部將通過(guò)電阻R1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰動(dòng)力電池包電壓,當(dāng)單體電芯電壓下降到2.3V(通常稱為過(guò)放保護(hù)電壓)時(shí),控制IC認(rèn)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(hù)板處于過(guò)放電狀態(tài)并一直保持到保護(hù)板的P+與P-間電壓上升到IC的門(mén)限電壓(一般為3.1V,通常稱為過(guò)放保護(hù)恢復(fù)電壓),控制IC將使Q1再次導(dǎo)通。即鋰動(dòng)力電池包的B-與保護(hù)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(hù)
鋰動(dòng)力電池包的過(guò)流保護(hù)定義:當(dāng)電池組P+與P-輸出電流超過(guò)過(guò)流/短路電流值,并達(dá)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(xù)的過(guò)程,所以過(guò)電流一般會(huì)有兩重保護(hù),一重保護(hù)的設(shè)定值比較小,延時(shí)時(shí)間比較長(zhǎng),二重保護(hù)的設(shè)定值比較大,延時(shí)時(shí)間很短。當(dāng)過(guò)電流保護(hù)動(dòng)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(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(hù),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(yù),等負(fù)載或者充電機(jī)移除后,人工復(fù)位過(guò)電流保護(hù)。
鋰動(dòng)力電池包在對(duì)負(fù)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(dǎo)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(dǎo)通阻抗),控制IC對(duì)該電壓值進(jìn)行檢測(cè),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(shí),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(guò)電流保護(hù)作用。
在控制IC檢測(cè)到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷信號(hào)之間有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)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(cè)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(dǎo)通阻抗,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通阻抗越大時(shí),對(duì)同樣的控制IC,其過(guò)電流保護(hù)值越小。
(4)短路保護(hù)
短路保護(hù)其實(shí)也是過(guò)電流保護(hù)的一種,只不過(guò)當(dāng)系統(tǒng)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(yīng)過(guò)來(lái)再保護(hù),鋰動(dòng)力電池包可能已損壞,因此,對(duì)于短路保護(hù)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(hào)即可。
當(dāng)鋰動(dòng)力電池包P+與P-輸出電流超過(guò)短路電流值,并達(dá)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(hù)是過(guò)電流保護(hù)的一種極限形式,其控制過(guò)程及原理與過(guò)電流保護(hù)一樣,短路只是在相當(dāng)于在P+、P-間加上一個(gè)阻值小的電阻(約為0Ω)使保護(hù)板的負(fù)載電流瞬時(shí)達(dá)到設(shè)定值,保護(hù)板立即觸發(fā)短路保護(hù)。
(5)溫度保護(hù)
鋰動(dòng)力電池包溫度保護(hù)定義:當(dāng)鋰動(dòng)力電池包的溫度達(dá)到溫度閾值時(shí),且達(dá)到保護(hù)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(hù)比較簡(jiǎn)單,溫度保護(hù)值有上限也有下限,甚至在細(xì)分還可以分為充電時(shí)的溫度保護(hù)以及放電時(shí)的溫度保護(hù),需根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的是,在實(shí)際的測(cè)試中發(fā)現(xiàn),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(hù)值和恢復(fù)值一定要做出一個(gè)合理的區(qū)間,不然系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定。
保護(hù)板上的T端口為過(guò)溫保護(hù)端,常見(jiàn)的過(guò)溫保護(hù)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(dāng)用鋰動(dòng)力電池包長(zhǎng)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(hù)板的控制IC對(duì)NTC阻值進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)阻值下降到設(shè)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(dá)到保護(hù)鋰動(dòng)力電池包的目的。