動力電池保護板討論與分析

由于近幾年的動力鋰電池的飛速發(fā)展，無論是生產工藝還是材料技術改進上，或價格的優(yōu)勢，都有相當大的突破，因此它也為多并多串打下堅實的基礎。替代鉛酸電池的時代越來越近。無論電動自行車還是后備電源，它的市場占有率自然也開始瘋狂擴大，這是不可否認的事實。那么，為了電池的安全與壽命，鋰電池的有效保護自然也少不了，此時保護板在電池包內也是一個非常核心的部件之一。

　　理論上來講，動力多串電池保護板已經沒有太多的電子技術含量了，比如電路與軟件處理，有太多的選擇。其主要是把保護部分如何做到穩(wěn)定，可靠，更安全，更實用，當然價格也是其中之一。想要真正的想把它做好，那是一件非常復雜細心而又漫長的輪回工作。如果要按經驗與技術值的占比比值的話，技術只占20% 。經驗要占到80% 。做好動力電池保護板沒有個三五年的經驗，還是有困難的。當然做好與能做是兩回事。為什么會有這樣的結論呢?這是有依據(jù)的。說實話，保護板的方案電路并不復雜，只要在電池電子行業(yè)工作了一兩年，設計個電路與抄襲人家一個電路不是什么難事。比如：多串動力電池他主要是高電壓，大電流，高內阻工作(微電流)，電池包工作環(huán)境的考量等等，這都牽扯到多年的電子專業(yè)綜合經驗。大到要對整個PACK的了解，小到一個電阻,電容或晶體管的選型,或是布板時的注意細節(jié)。總的一句話，保護板主要是穩(wěn)定，可靠，安全的保護電池組，保證電池組的正常安全使用或使用得更久，其它添加的特有技術與功能，都是浮云。下面我們來討論一下。

　　動力電池保護板，顧名思義，它是用來保護電池不讓損壞與延長電池的使用壽命。而且它只在電池出現(xiàn)極端問題的情況下作出最穩(wěn)定最有效的保護防止出現(xiàn)意外。平時不應該動作，當然，監(jiān)視工作是必須要的，就像我們的家用電器中的保險絲或保險開關一樣。這是本文討論分析的宗旨。

　　保護項目及注意事項

　　1.電壓保護：過充，過放，這要根據(jù)電池的材料不同而有所改變，這點看似簡單，但要細節(jié)上來看，還是有經驗學問的。

　　過充保護，在我們以往的單節(jié)電池保護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，你的保護電壓就選擇電池的充飽電壓，甚至還要比此電壓還低些。比如錳鋰電池，可以選擇4.18V~4.2V。因為它是多串數(shù)的，整個電池組的壽命容量主要是以容量最低的那顆電池以準，小容的總是在大電流高電壓工作，所以衰減加快。而大容量每次都是輕充輕放，自然衰減要慢得多了。為了讓小容量的電池也是輕充輕放，所以過充保護電壓點不要選擇太高。這個保護延時可以做到1S,防止脈沖的影響從而保護。

　　過放保護，也是與電池的材料有關，如錳鋰電池一般選擇在2.8V~3.0V。盡量要比它單顆電池過放的電壓稍高點。因為，在國內生產的電池，電池電壓低于3.3V后，各顆電池的放電特性完全不一，因此是提前保護電池，這樣對電池的壽命是一個很好的保護。

　　總的一點就是盡量讓每一顆電池都工作在輕充輕放下工作，一定是對電池的壽命是一個幫助。

　　過放保護延滯時間，它要根據(jù)負載的不同而有所改變，比如電動工具類的，他的啟動電流一般都在10C以上，因此會在短時間內把電池的電壓拉到過放電壓點從而保護。此時無法讓電池工作。這是值得注意的地方。

2.電流保護：它主要體現(xiàn)在工作電流與過電流使開關MOS斷開從而保護電池組或負載。

　　MOS管的損壞主要是溫度急劇升高，它的發(fā)熱也是電流的大小及 本身的內阻來決定的，當然小電流，對MOS沒什么影響，但是大電流呢，這個就要好好做些處理了， 在通過額定電流時，小電流10A以下，我們可以直接用電壓來驅動MOS管。大電流，一定是要加驅動，給MOS足夠大的驅動電流。以下在MOS管驅動有講到

　　工作電流，在設計的時候，MOS管上不能存在超過0.3W的功率。計算工式：I2*R/N。R為MOS的內阻，N為MOS的數(shù)量。如果功率超過，MOS會產生25度以上的溫升，又因它們都是密封的,就算有散熱片，長時間工作時，溫度還是會上去，因為他沒地方可散熱。當然MOS管是沒任何問題，問題是他產生熱量會影響到電池，畢竟保護板是與電池放在一起的。

　　過流保護(最大電流)，此項是保護板必不可少的，非常關鍵的一個保護參數(shù)。保護電流的大小與MOS的功率息息相關，因此在設計時，要盡量給出MOS能力的余量。在布板的時候，電流檢測點一定要選好位置，不能只接通就行，這需要經驗值。一般建議接在檢測電阻的中間端。還要注意電流檢測端的干擾問題，因為它的信號很容易受到干擾。

　　過流保護延時，它也是要根不同的產品做相應的調整。在此不多說了。

　　3.短路保護：嚴格來講，他是一個電壓比較型的保護，也就是講是用電壓的比較直接關斷或驅動的，不要經過多余的處理。

　　短路延時的設置也很關鍵，因為在我們的產品中，輸入濾波電容都是很大的，在接觸時第一時間給電容充電，此時就相當于電池短路來給電容充電。

　　4.溫度保護：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來保護電池本身或負載。如果是在一個恒定的環(huán)境條件下，當然不會有什么問題。由于電池的工作環(huán)境是我們不可控的，太多太復雜的變化，因此不好選擇。如在北方的冬天，我們定在多少合適?又如夏天的南方地區(qū)，又定多少合適?顯然范圍太寬不可控的因素太多，仁者見仁，智者見智的去選擇了。

　　5.MOS保護：主要是MOS的電壓，電流與溫度。當然就是牽扯到MOS管的選型了。MOS的耐壓當然要超過電池組的電壓，這是必須的。電流講的是在通過額定電流時MOS管體上的溫升了一般不超過25度的溫升，個人經驗值，只供參考。

　　MOS的驅動，也許會有的人會講，我有用低內阻大電流的MOS管，但為何還有蠻高的溫度?這是MOS管的驅動部分沒有做好，驅動MOS要有足夠大的電流，具體多大的驅動電流，要根據(jù)功率MOS管的輸入電容來定。因此，一般的過流與短路驅動都不能用芯片直接驅動，一定要外加。在大電流(超過50A)工作時，一定要做到多級多路驅動，才能保證MOS的同一時間同一電流正常打開與關閉。因為MOS管有一個輸入電容， MOS管功率,電流越大，輸入電容也就越大，如果沒有足夠的電流，不會在短時間做出完整的控制。尤其是電流超過50A時，電流設計上更要細化，一定要做到多級多路驅動控制。這樣才能保證MOS的正常過流與短路保護。

　　MOS電流平衡，主要講的是多顆MOS并起來用時，要讓每一顆MOS管通過的電流，打開與關閉時間都是一致的。這就要在畫板方面入手了，它們的輸入輸出一定要對稱，一定要保證每一個管子通過的電流是一致這才是目的。

　　6.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。就是因為人人都想把這個參數(shù)做小，有很多人的要求更低，甚至離譜，我們想想，保護板上有芯片，它們是要工作的，可以做到很低，但是可靠性呢?應該是在性能可靠完全OK的情況下再來考量自耗電的問題。有些朋友也許進入了誤區(qū)，自耗電分為整體的自耗電和每一串的自耗電。

　　整體自耗電，如果在100~500uA都是沒什么問題的，因為動力電池的容量本身就很大。當然電動工具的另外分析。如5AH的電池，放電500uA，要放多久，因此對整個電池組來講是很微弱的。

　　每串自耗電才最關鍵的，這個也不可能為零，當然也是在性能完全可行情況下進行，但有一點，每一串的自耗電量一定要一致，一般每一串的差別不能超過5uA。這點大家應該知道，如果每一串的自耗電不一時，那么在長時間擱置下，電池的容量一定會產生變化的。

　　7.均衡：均衡這一塊是此文章的論述的重點。目前最通用的均衡方式分為兩種，一種就是耗能式的，另一種就是轉能式的。

　　A耗能式均衡,主要是把多串電池中某節(jié)電池的電量或電壓高的用電阻把多余的電能損耗掉。它也分如下三種。

　　一，充電時時均衡，它主要是在充電時任何一顆電池的電壓高出所有電池平均電壓時，它就啟動均衡，無論電池的電壓在什么范圍，它主要是應用在智能軟件方案上。當然如何定義可以由軟件任意調整。此方案的優(yōu)點它能有更多的時間去做電池的電壓均衡。

　　二，電壓定點均衡，就是把均衡啟動定在一個電壓點上，如錳鋰電池，很多就定在4.2V開始均衡。這種方式只是在電池充電的末端進行，所以均衡時間較短，用處可想而知。

　　三，靜態(tài)自動均衡，它也可以在充電的過程中進行，也可以在放電時進行，更有特點的是，電池在靜態(tài)擱置時，如果電壓不一致時，它也在均衡著，直到電池的電壓達到一致。但有人認為，電池都沒工作了，為什么保護板還是在發(fā)熱呢?

　　以上三種方式都以是參考電壓來實現(xiàn)均衡的。但是，電池電壓高不一定代表容量就高，也許截然相反。以下論述。

　　其優(yōu)點就是成本低，設計簡單，在電池電壓不一致時能起到一定的作用，主要體現(xiàn)在電池長時間擱置自耗引起的電壓不一致。理論上是有微弱的可行性。

　　缺點，電路復雜，元件多，溫度高，防靜電差，故障率高。

　　具體探討如下。

　　當新單體電池分容分壓分內阻過后組成PACK，總會有各別的單體容量偏低，而往往容量最低的那顆單體，在充電的過程中電壓一定是上升最快的，也是它最先到達啟動均衡電壓的，此時，大容量的單體還沒達到電壓點而沒有啟動均衡，小容量的確開始均衡了，這樣每一次的循環(huán)工作，這顆小容量的單體一直處于飽充飽放的狀態(tài)下工作，而它也是衰老最快的，同時內阻自然也會慢慢的比其它的單體增高，從而形成一個惡性循環(huán)。這是一個極大的弊端。

　　元件越多，故障率自然就高了。

　　溫度，可想而知，耗能式的，是想把所謂多余的電量用電阻以發(fā)熱的形式來耗掉多余的電能，它確成了名副其實發(fā)熱源。而高溫對電芯本身來講是非常致命的一個相當因素，它可能會讓電池燃燒，也可能會引起電池爆炸。本來我們是在想盡一切辦法去減少整個電池包的溫度產生，而耗能均衡呢?同時它的溫度高得驚人，大家可以去測試一下，當然是在全封閉的環(huán)境下?？偟膩碚f，它是一個發(fā)熱體，熱是電池的致命天敵。

　　靜電，我個人設計保護板時，從來不用小功率的MOS管，哪怕一顆都不用。因為本人在這一塊吃過太多的虧了。就是MOS管的靜電問題。先不說小MOS在工作的環(huán)境，就說在生產加工PCBA貼片時，如果車間的濕度低于60%，小MOS生產出來的不良率都會超過10%以上，然后再濕度調到80%。小MOS的不良率為零?？梢栽囋?。這要表明一個什么問題呢?如果我們的產品在北方的冬天，小MOS是否能通過，這需要時間來驗證的。再有，MOS管的損壞只有短路，如果短路那可想而知，就意味著這組電池馬上要損壞。更何況我們的均衡上的小MOS用得還不少呢。這時有人會恍然，難怪退回來的貨，都是因為均衡壞掉而引起單體電池損壞，而且都是MOS壞掉了。這時電芯廠與保護板廠開始扯皮了。是誰的錯呢?

　　B能量轉移式均衡，它是讓大容量的電池以儲能的方式轉移到小容量的電池，聽起來感覺很智能很實用。它也分容量時時均衡與容量定點均衡。它是以檢測電池的容量來做均衡的，但是好像沒考慮到電池的電壓。可以想想，以10AH的電池組為例，假如電池組中有一顆容量在10.1AH，一顆容量小點的在9.8AH，充電電流為2A，能量均衡電流為0.5A。這時10.1AH的要給小容量9.8AH的轉能充電，而9.8AH的電池充電電流就是2A+0.5A=2.5A，這時9.8AH電池的充電電流就是2.5A，這時9.8AH的容量是補進去了，可是9.8AH電池的電壓會是多少呢?顯然會比其它電池的上升得更快，如果到了充電末端，9.8AH的一定會大大提前過充保護，在每一次的充放電循環(huán)，小容量電池一直處在深充深放的狀態(tài)。而其它電池是否有充飽，不確定因素太多。微弱直觀的就小分析到這，分析太多怕不知所云。

　　均衡總結 本人有這么一個定論：如果堅持要用到均衡功能的人，我可以斷定此人沒有大批量生產動力電池保護板或PACK的經驗。如果有大批量生產過，他一定會在均衡上吃不少的虧。個人認為，均衡利用保護板來實現(xiàn)，有點滑稽。因為保護板就是保護的，它只做電池在最極端的時候起到有效的保護作用，它沒有能力去把電池的性能提高，保護板只是一個被動部分，難道家里的保護絲或保護開關能提高家里的電量?當然不可能。它只起到保護作用。

　　電芯才是主動器件,我們要提高的是電芯上的性能與技術,主要是一致性。再說均衡做在保護板上，不管是從理論上還是實際應用中，它有弊有利，但在理論上，均衡有一定的作用，但用處多大，顯然可見。為何?因為充電一般都是在2~10A的電流，而均衡我們最多只能做到200mA。這個差別太多，同時有些均衡方案是在充電電壓的末端啟動，更顯得于事無補啊。而它有弊端的一面，太多太多。