摘要：本文在簡(jiǎn)介了鋰動(dòng)力電池保護(hù)板構(gòu)成的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了鋰動(dòng)力電池保護(hù)板的過充、過放、過流、短路、溫度保護(hù)功能，講解了鋰動(dòng)力電池保護(hù)板接線順序及同口保護(hù)板接線步驟。

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充、過放、過流、短路及超高溫充放電，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、開關(guān)管、精密采用電阻、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(shí)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(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、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(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有專門的要求。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)滿足高精密度，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)板的主要功能有過充保護(hù)、過放保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)、溫度保護(hù)。

（1）過充保護(hù)

鋰動(dòng)力電池包過充保護(hù)的定義：當(dāng)鋰動(dòng)力電池包某一串電壓大于（過壓）最大值時(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可等效為兩只開關(guān)，當(dāng)Q1或Q2的G極電壓大于1V時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通。導(dǎo)通開關(guān)管的D、S間內(nèi)阻很小（數(shù)十毫歐姆），相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)G極電壓小于0.7V時(shí)，開關(guān)管截止，截止的開關(guān)管的D、S極間的內(nèi)阻很大（幾兆歐姆），相當(dāng)于開關(guān)斷開。

在鋰動(dòng)力電池包充電時(shí)，當(dāng)鋰動(dòng)力電池包通過充電器正常充電時(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（通常稱為過充保護(hù)電壓）時(shí)，控制IC將判斷電芯已處于過充電狀態(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)雖然過充電控制開關(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（通常稱為過充保護(hù)恢復(fù)電壓）時(shí)，控制IC將Q2退出過充電保護(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）過放保護(hù)

鋰動(dòng)力電池包過放保護(hù)的定義：當(dāng)鋰動(dòng)力電池包某一串電壓小于（欠壓）最大值時(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（通常稱為過放保護(hù)電壓）時(shí)，控制IC認(rèn)為單體電芯已處于過放電狀態(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的門限電壓（一般為3.1V，通常稱為過放保護(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）過流保護(hù)

鋰動(dòng)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(shí)，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(gè)持續(xù)的過程，所以過電流一般會(huì)有兩重保護(hù)，第一重保護(hù)的設(shè)定值比較小，延時(shí)時(shí)間比較長(zhǎng)，第二重保護(hù)的設(shè)定值比較大，延時(shí)時(shí)間很短。當(dāng)過電流保護(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)過一段時(shí)間之后，自動(dòng)打開回路，如果此刻依然為過流狀態(tài)，則鋰動(dòng)力電池包又會(huì)進(jìn)入保護(hù)，若過流解除，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)位過電流保護(hù)。

鋰動(dòng)力電池包在對(duì)負(fù)載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個(gè)開關(guān)管時(shí)，由于開關(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＃够芈冯娏髟龃螅?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，起到過電流保護(hù)作用。

在控制IC檢測(cè)到過電流發(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。在上述控制過程中，其過電流檢測(cè)值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于開關(guān)管的導(dǎo)通阻抗，開關(guān)管導(dǎo)通阻抗越大時(shí)，對(duì)同樣的控制IC，其過電流保護(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(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)過來再保護(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-輸出電流超過短路電流值，并達(dá)到短路延時(shí)，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(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端口為過溫保護(hù)端，常見的過溫保護(hù)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(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)斷充放電開關(guān)管指令，從而達(dá)到保護(hù)鋰動(dòng)力電池包的目的。

3.鋰動(dòng)力電池保護(hù)板接線

鋰動(dòng)力電池保護(hù)板分正極板和負(fù)極板，負(fù)極板分為負(fù)極同口板、負(fù)極分口板，其功能都是一樣的，不支持通過軟件來修改正、負(fù)極保護(hù)板的設(shè)置，所以只能按照保護(hù)板接線圖來確定保護(hù)方式。

（1）負(fù)極板分口接線

負(fù)極板分口接線如圖2所示，負(fù)極板分口接線順序見表1。

（2）負(fù)極板同口接線

負(fù)極板同口接線如圖3所示，負(fù)極板分口接線順序見表2。

（3）正極板同口接線

正極板同口接線如圖4所示，正極板分口接線順序見表3。

（4）同口保護(hù)板接線步驟

因不同廠家的鋰動(dòng)力電池包保護(hù)板的排線是不通用，在接線時(shí)應(yīng)確保使用配套排線，同口保護(hù)板接線步驟如下：

1）在接排線之前，不要把排線插入保護(hù)板。

2）將保護(hù)板B-線（藍(lán)色粗線）接到動(dòng)力電池總負(fù)極端。

3）排線的第1根細(xì)黑線接B-，第2根線（細(xì)紅線）連接第1串電池正極，后面依次連接每一串電池的正極，直到最后一串B+。

4）排線接好后，測(cè)量插頭背面每?jī)蓚€(gè)相鄰金屬端子間的電壓，如果是三元聚合物電池電壓應(yīng)該在2.8～4.2V之間，鐵鋰電池應(yīng)該在2.5～3.65V之間，鈦酸鋰電池應(yīng)該在1.6～2.8V之間。

5）檢測(cè)電壓無(wú)誤后，將保護(hù)板插入保護(hù)板插座。

6）測(cè)量電池B+，B-電壓與P+，P-電壓是否一致，若兩電壓一致，說明保護(hù)板工作正常（保護(hù)板相當(dāng)于開關(guān)，開關(guān)已經(jīng)打開，電流可安全通過）。如不一，按照上面接線順序檢查接線是否正確。

同口和分口保護(hù)板排線的接線方法是一樣的，區(qū)別在于放電線、充電線的接線方法不一樣。同口充放電的負(fù)極都是接在P-線上；分口是充電線接在C-線上、放電接在P-線上。

原標(biāo)題:專題 鋰動(dòng)力電池包保護(hù)板功能及接線