鋰動力電池包保護板功能及接線

1.鋰動力電池保護板構成

鋰動力電池保護板是針對鋰動力電池設計的起保護作用的集成電路板，鋰動力電池需要保護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、短路及高溫充放電，因此在設計鋰動力電池包時，會附帶設計一塊保護板。

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

NTC是Negative temperature coefficient的縮寫，即負溫度系數電阻，在環境溫度升高時，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、生產日期等信息，可起到產品的可追溯和使用壽命信息。

PTC是英文Positive Temperature Coefficient的縮寫，是正溫度系數電阻，鋰動力電池包產品內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生，根據鋰動力電池包的電壓、電流密度特性和應用環境，對PTC有專門的要求。PTC是鋰動力電池包產品內一個非常重要的部件，對鋰動力電池包的安全擔負著重要使命，它本身的性能和品質也是鋰動力電池包性能和品質的一個重要因數。

2.鋰動力電池保護板功能

鋰動力電池的保護由電子電路組成，在-40℃～+85℃的環境下時刻準確的監視電芯的電壓、充放回路的電流及電芯溫度，即時控制電流回路的通斷。針對單一電芯保護的保護板設計會相對簡單，而針對鋰動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，如電壓平臺問題，鋰動力電池包在使用中往往被要求很大的平臺電壓，所以設計鋰動力電池包保護板時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很高，電流采樣電阻應滿足高準確度，低溫度系數，無感等要求。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充保護、過放保護、過流保護、短路保護、溫度保護。

（1）過充保護

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

在鋰動力電池包充電時，當鋰動力電池包通過充電器正常充電時，隨著充電時間的增加，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當電芯電壓升高到4.4V（通常稱為過充保護電壓）時，控制IC將判斷電芯已處于過充電狀態，控制IC將使Q2截止，此時電芯的B一極與保護電路的P-端之間處于斷開狀態并保持，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，因此時雖然過充電控制開關管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（通常稱為過充保護恢復電壓）時，控制IC將Q2退出過充電保護狀態，即Q2導通，即電芯的B-端與保護電路P-端又重新接上，電芯又能進行正常的充電。

（2）過放保護

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

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

保護板處于過放電狀態并一直保持到保護板的P+與P-間電壓上升到IC的門限電壓（一般為3.1V，通常稱為過放保護恢復電壓），控制IC將使Q1再次導通。即鋰動力電池包的B-與保護板的P-又重新接上，鋰動力電池包經充電器直接充電。

（3）過流保護

鋰動力電池包的過流保護定義：當電池組P+與P-輸出電流超過過流/短路電流值，并達到過流延時，控制電路控制放電開關管關斷放電回路，停止放電。電流過大產生熱量累積是需要一個持續的過程，所以過電流一般會有兩重保護，一重保護的設定值比較小，延時時間比較長，二重保護的設定值比較大，延時時間很短。當過電流保護動作后，回路電流瞬間就變成了0A，要想恢復保護狀態，一般有兩種條件 ：

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

2）需要人工干預，等負載或者充電機移除后，人工復位過電流保護。

鋰動力電池包在對負載正常放電過程中，放電電流在經過串聯的2個開關管時，由于開關管的導通阻抗，會在其兩端產生一個電壓，該電壓值U=I×RDS×2（RDS為單個開關管的導通阻抗），控制IC對該電壓值進行檢測，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，控制IC使Q1由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護作用。

在控制IC檢測到過電流發生至發出關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，還取決于開關管的導通阻抗，開關管導通阻抗越大時，對同樣的控制IC，其過電流保護值越小。

（4）短路保護

短路保護其實也是過電流保護的一種，只不過當系統短路以后，電流理論上會變成無限大，這樣產生的熱量也是無限大，如果要等到軟件反應過來再保護，鋰動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自動觸發，觸發后傳遞給控制IC一個信號即可。

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

（5）溫度保護

鋰動力電池包溫度保護定義：當鋰動力電池包的溫度達到溫度閾值時，且達到保護延遲，控制電路控制關斷充放電開關管，停止充放電。溫度保護比較簡單，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的溫度保護以及放電時的溫度保護，需根據實際需要設計。

在設計時需要注意的是，在實際的測試中發現，溫度是一個比較容易抖動的值（這和選用的傳感器有關，比如使用熱敏電阻），所以在判斷的時候保護值和恢復值一定要做出一個合理的區間，不然系統會不穩定。

保護板上的T端口為過溫保護端，常見的過溫保護電路是在T端與P-端接一只NTC電阻（見圖1中的R3），該電阻緊貼電芯安裝。當用鋰動力電池包長時間處于大功率工作狀態時，鋰動力電池包溫度會上升，則NTC阻值會逐漸下降，鋰動力電池包保護板的控制IC對NTC阻值進行檢測，當阻值下降到設定閾值時，控制IC立即發出關斷充放電開關管指令，從而達到保護鋰動力電池包的目的。