多串鋰電池保護板設計注意事項2021-07-14 08:18
隨著鋰電池技術的成熟，市場對鋰電池的要求也越來越大，鋰電池PACK的安全優(yōu)為重要，目前市場發(fā)生的鋰電池燃燒及爆炸事件，鋰電池本身是一個重要原因，而保護板也是很關鍵的因素，因為保護板失效而造成的燃燒爆炸不在少數。特別是在多串鋰電池PACK中，鋰電池只護板，只要有一串失效，就有可能導至整個電池組燃燒爆炸，可見多串鋰電池保護板在電池應用中的生要性。那么在設計多串鋰電池保護板時，需要注意那些事項呢？
1. 放電過電流保護設計問題：
目前市場上賣的比較火的此割草機保護板，5A為正常工作電流，那么所選擇的MOS管就只需要兩對T430。但是啟動電流達到30A，如果過放電流設30A，在放電電流在大于5A但小于30A段，MOS管將工作在不安全區(qū)。割草機被樹枝卡住后，電機電流急驟增加，但達不到30A，例如29A，此時MOSFET結溫迅速上升而如照片燒炸。如何解決這個問題，其實很簡單，在設計工作電流的時候，應該把工作環(huán)境也考慮進去，割草機被樹枝卡住后，電流急增加，可能會持續(xù)個一兩分種，電流有可能達到30A的持續(xù)工作，固然，MOS的數量不可少，一定要滿足電機在最高電流的峰值，如電機工作電流峰值為20A，保護板一定設可持續(xù)20A的工作電流，才保持電機一直在峰值時的工作狀態(tài)。
目前，很多廠商為了節(jié)省成本，幾乎所有保護板都有這個問題。很多年輕的設計員是不會用MOSFET的，尤其不懂熱設計。建議TO220封裝MOSFET的過電流保護電流值≤10A；再在MOSFET表面貼裝一個60℃-80℃的溫度開關。
2. 過充電保護恢復問題：
為降低成本，單節(jié)鋰電池保護IC被普遍用于多節(jié)串聯鋰電池組，但很多保護板生產廠，包括有些大公司都不會設計。某電芯廠用廈門某保護板廠生產的用單節(jié)保護IC組成的10節(jié)串聯保護板，又用了開機時輸出浪涌電壓很高的充電器，接通交流電源后充電器就顯示充滿，檢查保護板的充電MOSFET是不導通的，說明是充電器開機時的浪涌電壓使過充電保護了；但充電器與電池組分開后，保護板的充電MOSFET仍然是不導通的，說明保護板的過充電保護沒有恢復。改變保護板充電保護電路的參數，解決了過充電保護恢復問題。
這個用單節(jié)鋰電池保護IC組成多節(jié)串聯鋰電池組保護板的電路的最初設計也許沒有錯誤，或是在傳抄過程出錯了；目前市場上這類保護板都有問題，但由于充電器質量好—開機沒有浪涌電壓，充電器恒壓值又小于過充電電壓值，不會引起過充電保護，也就掩飾了過充電保護不能恢復的故障了。
3. 過電流、短路保護鎖定：
PACK組裝后都要做短路測試，即短路一下P+/P-端口，再測量P+/P-電壓。用單節(jié)保護IC組成的多節(jié)串聯保護板如果沒有過電流、短路保護自鎖定電路，或過電流、短路保護自鎖定電路參數設置不正確，將燒壞MOSFET。當然MOSFET的漏極電流Id足夠大或鋰電池的容量比較小或短路P+/P-端口的時間很短，是不會燒MOSFET的。
在保護板技術中，“短路”是“短路過電流”的簡稱，短路是定性概念，保護板的規(guī)格書應該定量給出“負載短路電流”參數，例如S8261的“負載短路檢測電壓”典型值為1.2v，將1.2v除以電流采樣電阻值，就是保護板的“負載短路電流”值。
給出此值，表明短路保護是有限保護，不是無限保護。因此，PACK短路測試不能直接短路P+/P-，而應該串聯一個小歐姆電阻器。過電流、短路保護鎖定電路的功能是：在過電流、短路保護實施后—即MOSFET已經關斷，負載連接在P+/P-的狀態(tài)下，仍然保持MOSFET關斷。若保護板無此鎖定功能，MOSFET將會關斷—接通—關斷—接通……，形成振蕩，振蕩周期大約等于負載短路檢測延遲時間(數百霺)，MOFET在脈沖短路電流的沖擊下將燒壞。多節(jié)保護IC一般都有防振蕩鎖定功能，不需要另外設置電路。
4. 放電過電流檢測延遲時間設定
放電過電流延遲時間應根據負載電容設定。在電動車上負載電容有達50mF的；在電動工具保護板中，雖然沒有負載電容，但電機要求啟動電流大，且持續(xù)時間長；但是，目前市場上的采用單節(jié)鋰電池保護IC組成多節(jié)串聯鋰電池組保護板都不能設定過電流延遲時間。
5. 均衡電路
當前，保護板都采用充電尾部分流均衡，常采用的電路是TL431/S8211E/HY2212/HY2213 。
TL431的成本低，但功耗電流大，均衡啟動電壓精確度差，選擇1%穩(wěn)壓器，均衡啟動電壓精確度為4 0 m V；S 8 2 1 1 E均衡電流開關是P-MOSFET；HY2212/HY2213的A型均衡電流開關用N-MOSFET，B型用P-MOSFET；S8211E/HY2212/HY2213成本高，MOSFET均衡電流開關成本也高，但均衡啟動電壓精確度高，可達±25mV。
6. 低溫檢測
目前，很少具有低溫檢測保護功能的鋰電池硬件保護IC，因此只能另加電路。所見到的低溫保護電路，其電路結構為NTC、運算放大器、穩(wěn)壓器，但這些器件的工電流很大，至少也達mA量級，相當于增加了電芯的漏電流，不利鋰電池儲存。杭州富格能源科技有限公司設計的溫度檢測保護電路采用NTC、電壓比較器、LDO，工作電流小于10霢，保護溫度80℃～－30℃間可調整，且只需要1個NTC。 低溫檢測在軍品低溫鋰電池應用中的另一功能是控制常溫、低溫時的過放電電壓，保證低溫鋰電池在常溫工作時不過放電。
7. 鋰電池保護IC
保護板技術是否先進，主要體現在鋰電池保護IC的性能中。目前大部分保護板采用單節(jié)保護IC，主要常用品牌是日本精工、日本理光、臺灣富晶、臺灣紘康等，富晶、紘康沒有多節(jié)串聯保護IC。
采用單節(jié)保護IC組成多節(jié)鋰電池串聯保護板，電路結構從光電耦合器驅動MOSFET，改進到用或門電路驅動MOSFET，但元器件數量仍然很多，焊接點多，因此可靠性差。多節(jié)保護IC可靠性較高，但精工、理光也只有5節(jié)串聯保護IC，仍然需要級聯成36v/48v等保護板；凹凸、T I、MAXIM、LINEAR等公司的8-14串聯保護IC價格電動自行車是不能接受的。
1. 放電過電流保護設計問題：
目前市場上賣的比較火的此割草機保護板，5A為正常工作電流，那么所選擇的MOS管就只需要兩對T430。但是啟動電流達到30A，如果過放電流設30A，在放電電流在大于5A但小于30A段，MOS管將工作在不安全區(qū)。割草機被樹枝卡住后，電機電流急驟增加，但達不到30A，例如29A，此時MOSFET結溫迅速上升而如照片燒炸。如何解決這個問題，其實很簡單，在設計工作電流的時候，應該把工作環(huán)境也考慮進去，割草機被樹枝卡住后，電流急增加，可能會持續(xù)個一兩分種，電流有可能達到30A的持續(xù)工作，固然，MOS的數量不可少，一定要滿足電機在最高電流的峰值，如電機工作電流峰值為20A，保護板一定設可持續(xù)20A的工作電流，才保持電機一直在峰值時的工作狀態(tài)。
目前，很多廠商為了節(jié)省成本，幾乎所有保護板都有這個問題。很多年輕的設計員是不會用MOSFET的，尤其不懂熱設計。建議TO220封裝MOSFET的過電流保護電流值≤10A；再在MOSFET表面貼裝一個60℃-80℃的溫度開關。
2. 過充電保護恢復問題：
為降低成本，單節(jié)鋰電池保護IC被普遍用于多節(jié)串聯鋰電池組，但很多保護板生產廠，包括有些大公司都不會設計。某電芯廠用廈門某保護板廠生產的用單節(jié)保護IC組成的10節(jié)串聯保護板，又用了開機時輸出浪涌電壓很高的充電器，接通交流電源后充電器就顯示充滿，檢查保護板的充電MOSFET是不導通的，說明是充電器開機時的浪涌電壓使過充電保護了；但充電器與電池組分開后，保護板的充電MOSFET仍然是不導通的，說明保護板的過充電保護沒有恢復。改變保護板充電保護電路的參數，解決了過充電保護恢復問題。
這個用單節(jié)鋰電池保護IC組成多節(jié)串聯鋰電池組保護板的電路的最初設計也許沒有錯誤，或是在傳抄過程出錯了；目前市場上這類保護板都有問題，但由于充電器質量好—開機沒有浪涌電壓，充電器恒壓值又小于過充電電壓值，不會引起過充電保護，也就掩飾了過充電保護不能恢復的故障了。
3. 過電流、短路保護鎖定：
PACK組裝后都要做短路測試，即短路一下P+/P-端口，再測量P+/P-電壓。用單節(jié)保護IC組成的多節(jié)串聯保護板如果沒有過電流、短路保護自鎖定電路，或過電流、短路保護自鎖定電路參數設置不正確，將燒壞MOSFET。當然MOSFET的漏極電流Id足夠大或鋰電池的容量比較小或短路P+/P-端口的時間很短，是不會燒MOSFET的。
在保護板技術中，“短路”是“短路過電流”的簡稱，短路是定性概念，保護板的規(guī)格書應該定量給出“負載短路電流”參數，例如S8261的“負載短路檢測電壓”典型值為1.2v，將1.2v除以電流采樣電阻值，就是保護板的“負載短路電流”值。
給出此值，表明短路保護是有限保護，不是無限保護。因此，PACK短路測試不能直接短路P+/P-，而應該串聯一個小歐姆電阻器。過電流、短路保護鎖定電路的功能是：在過電流、短路保護實施后—即MOSFET已經關斷，負載連接在P+/P-的狀態(tài)下，仍然保持MOSFET關斷。若保護板無此鎖定功能，MOSFET將會關斷—接通—關斷—接通……，形成振蕩，振蕩周期大約等于負載短路檢測延遲時間(數百霺)，MOFET在脈沖短路電流的沖擊下將燒壞。多節(jié)保護IC一般都有防振蕩鎖定功能，不需要另外設置電路。
4. 放電過電流檢測延遲時間設定
放電過電流延遲時間應根據負載電容設定。在電動車上負載電容有達50mF的；在電動工具保護板中，雖然沒有負載電容，但電機要求啟動電流大，且持續(xù)時間長；但是，目前市場上的采用單節(jié)鋰電池保護IC組成多節(jié)串聯鋰電池組保護板都不能設定過電流延遲時間。
5. 均衡電路
當前，保護板都采用充電尾部分流均衡，常采用的電路是TL431/S8211E/HY2212/HY2213 。
TL431的成本低，但功耗電流大，均衡啟動電壓精確度差，選擇1%穩(wěn)壓器，均衡啟動電壓精確度為4 0 m V；S 8 2 1 1 E均衡電流開關是P-MOSFET；HY2212/HY2213的A型均衡電流開關用N-MOSFET，B型用P-MOSFET；S8211E/HY2212/HY2213成本高，MOSFET均衡電流開關成本也高，但均衡啟動電壓精確度高，可達±25mV。
6. 低溫檢測
目前，很少具有低溫檢測保護功能的鋰電池硬件保護IC，因此只能另加電路。所見到的低溫保護電路，其電路結構為NTC、運算放大器、穩(wěn)壓器，但這些器件的工電流很大，至少也達mA量級，相當于增加了電芯的漏電流，不利鋰電池儲存。杭州富格能源科技有限公司設計的溫度檢測保護電路采用NTC、電壓比較器、LDO，工作電流小于10霢，保護溫度80℃～－30℃間可調整，且只需要1個NTC。 低溫檢測在軍品低溫鋰電池應用中的另一功能是控制常溫、低溫時的過放電電壓，保證低溫鋰電池在常溫工作時不過放電。
7. 鋰電池保護IC
保護板技術是否先進，主要體現在鋰電池保護IC的性能中。目前大部分保護板采用單節(jié)保護IC，主要常用品牌是日本精工、日本理光、臺灣富晶、臺灣紘康等，富晶、紘康沒有多節(jié)串聯保護IC。
采用單節(jié)保護IC組成多節(jié)鋰電池串聯保護板，電路結構從光電耦合器驅動MOSFET，改進到用或門電路驅動MOSFET，但元器件數量仍然很多，焊接點多，因此可靠性差。多節(jié)保護IC可靠性較高，但精工、理光也只有5節(jié)串聯保護IC，仍然需要級聯成36v/48v等保護板；凹凸、T I、MAXIM、LINEAR等公司的8-14串聯保護IC價格電動自行車是不能接受的。
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