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

1.鋰動力電池保護板構(gòu)成

鋰動力電池保護板是針對鋰動力電池設(shè)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)計一塊保護板。

鋰動力電池保護板通常由控制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，保護電芯的安全。

NTC是Negative temperature coefficient的縮寫，即負溫度系數(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)。

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(huán)境下時刻準確的監(jiān)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(shè)計會相對簡單，而針對鋰動力電池包保護的保護板設(shè)計，按照不同的需要，其設(shè)計復(fù)雜程度各不相同。

在鋰動力電池包保護板設(shè)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(shè)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(yīng)滿足高精密度，低溫度系數(shù)，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(dāng)鋰動力電池包某一串電壓大于（過壓）最大值時，且達到保護延遲時間，IC控制Q2關(guān)斷充電回路。場效應(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，開關(guān)管導(dǎo)通。導(dǎo)通開關(guān)管的D、S間內(nèi)阻很?。〝?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，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。

在鋰動力電池包充電時，當(dāng)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(dāng)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(tài)，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(tài)并保持，即電芯的充電回路被切斷，停止充電。

當(dāng)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(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，所以仍可對負載放電。當(dāng)電芯兩端電壓低于4.3V（通常稱為過充保護恢復(fù)電壓）時，控制IC將Q2退出過充電保護狀態(tài)，即Q2導(dǎo)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(dāng)鋰動力電池包某一串電壓小于（欠壓）最大值時，且達到保護延遲，IC控制Q1關(guān)斷放電回路。

當(dāng)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(nèi)部將通過電阻R1實時監(jiān)測鋰動力電池包電壓，當(dāng)單體電芯電壓下降到2.3V（通常稱為過放保護電壓）時，控制IC認為單體電芯已處于過放電狀態(tài)，控制IC將使Q1截止，此時電芯的B-與P-之間處于斷開狀態(tài)，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(tài)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(fù)電壓），控制IC將使Q1再次導(dǎo)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(jīng)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(dāng)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(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，第一重保護的設(shè)定值比較小，延時時間比較長，第二重保護的設(shè)定值比較大，延時時間很短。當(dāng)過電流保護動作后，回路電流瞬間就變成了0A，要想恢復(fù)保護狀態(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入保護，若過流解除，鋰動力電池包將進入工作狀態(tài)。

2）需要人工干預(yù)，等負載或者充電機移除后，人工復(fù)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(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對該電壓值進行檢測，若負載因某種原因?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(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，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(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(dāng)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(shè)定值，保護板立即觸發(fā)短路保護。

（5）溫度保護

鋰動力電池包溫度保護定義：當(dāng)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(guān)斷充放電開關(guān)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(jù)實際需要設(shè)計。

在設(shè)計時需要注意的是，在實際的測試中發(fā)現(xiàn)，溫度是一個比較容易抖動的值（這和選用的傳感器有關(guān)，比如使用熱敏電阻），所以在判斷的時候保護值和恢復(fù)值一定要做出一個合理的區(qū)間，不然系統(tǒng)會不穩(wěn)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(dāng)用鋰動力電池包長時間處于大功率工作狀態(tài)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(dāng)阻值下降到設(shè)定閾值時，控制IC立即發(fā)出關(guān)斷充放電開關(guān)管指令，從而達到保護鋰動力電池包的目的。

3.鋰動力電池保護板接線

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

（1）負極板分口接線

負極板分口接線如圖2所示，負極板分口接線順序見表1。

（2）負極板同口接線

負極板同口接線如圖3所示，負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）同口保護板接線步驟

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

1）在接排線之前，不要把排線插入保護板。

2）將保護板B-線（藍色粗線）接到動力電池總負極端。

3）排線的第1根細黑線接B-，第2根線（細紅線）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，測量插頭背面每兩個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）檢測電壓無誤后，將保護板插入保護板插座。

6）測量電池B+，B-電壓與P+，P-電壓是否一致，若兩電壓一致，說明保護板工作正常（保護板相當(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。

原標題:專題 鋰動力電池包保護板功能及接線