多串鋰電池保護(hù)板設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)2021-07-14 08:18
隨著鋰電池技術(shù)的成熟，市場(chǎng)對(duì)鋰電池的要求也越來(lái)越大，鋰電池PACK的安全優(yōu)為重要，目前市場(chǎng)發(fā)生的鋰電池燃燒及爆炸事件，鋰電池本身是一個(gè)重要原因，而保護(hù)板也是很關(guān)鍵的因素，因?yàn)楸Ｗo(hù)板失效而造成的燃燒爆炸不在少數(shù)。特別是在多串鋰電池PACK中，鋰電池只護(hù)板，只要有一串失效，就有可能導(dǎo)至整個(gè)電池組燃燒爆炸，可見(jiàn)多串鋰電池保護(hù)板在電池應(yīng)用中的生要性。那么在設(shè)計(jì)多串鋰電池保護(hù)板時(shí)，需要注意那些事項(xiàng)呢？
1. 放電過(guò)電流保護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題：
目前市場(chǎng)上賣(mài)的比較火的此割草機(jī)保護(hù)板，5A為正常工作電流，那么所選擇的MOS管就只需要兩對(duì)T430。但是啟動(dòng)電流達(dá)到30A，如果過(guò)放電流設(shè)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(jī)被樹(shù)枝卡住后，電機(jī)電流急驟增加，但達(dá)不到30A，例如29A，此時(shí)MOSFET結(jié)溫迅速上升而如照片燒炸。如何解決這個(gè)問(wèn)題，其實(shí)很簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)工作電流的時(shí)候，應(yīng)該把工作環(huán)境也考慮進(jìn)去，割草機(jī)被樹(shù)枝卡住后，電流急增加，可能會(huì)持續(xù)個(gè)一兩分種，電流有可能達(dá)到30A的持續(xù)工作，固然，MOS的數(shù)量不可少，一定要滿足電機(jī)在最高電流的峰值，如電機(jī)工作電流峰值為20A，保護(hù)板一定設(shè)可持續(xù)20A的工作電流，才保持電機(jī)一直在峰值時(shí)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(hù)板都有這個(gè)問(wèn)題。很多年輕的設(shè)計(jì)員是不會(huì)用MOSFET的，尤其不懂熱設(shè)計(jì)。建議TO220封裝MOSFET的過(guò)電流保護(hù)電流值≤10A；再在MOSFET表面貼裝一個(gè)60℃-80℃的溫度開(kāi)關(guān)。
2. 過(guò)充電保護(hù)恢復(fù)問(wèn)題：
為降低成本，單節(jié)鋰電池保護(hù)IC被普遍用于多節(jié)串聯(lián)鋰電池組，但很多保護(hù)板生產(chǎn)廠，包括有些大公司都不會(huì)設(shè)計(jì)。某電芯廠用廈門(mén)某保護(hù)板廠生產(chǎn)的用單節(jié)保護(hù)IC組成的10節(jié)串聯(lián)保護(hù)板，又用了開(kāi)機(jī)時(shí)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(hù)板的充電MOSFET是不導(dǎo)通的，說(shuō)明是充電器開(kāi)機(jī)時(shí)的浪涌電壓使過(guò)充電保護(hù)了；但充電器與電池組分開(kāi)后，保護(hù)板的充電MOSFET仍然是不導(dǎo)通的，說(shuō)明保護(hù)板的過(guò)充電保護(hù)沒(méi)有恢復(fù)。改變保護(hù)板充電保護(hù)電路的參數(shù)，解決了過(guò)充電保護(hù)恢復(fù)問(wèn)題。
這個(gè)用單節(jié)鋰電池保護(hù)IC組成多節(jié)串聯(lián)鋰電池組保護(hù)板的電路的最初設(shè)計(jì)也許沒(méi)有錯(cuò)誤，或是在傳抄過(guò)程出錯(cuò)了；目前市場(chǎng)上這類(lèi)保護(hù)板都有問(wèn)題，但由于充電器質(zhì)量好—開(kāi)機(jī)沒(méi)有浪涌電壓，充電器恒壓值又小于過(guò)充電電壓值，不會(huì)引起過(guò)充電保護(hù)，也就掩飾了過(guò)充電保護(hù)不能恢復(fù)的故障了。
3. 過(guò)電流、短路保護(hù)鎖定：
PACK組裝后都要做短路測(cè)試，即短路一下P+/P-端口，再測(cè)量P+/P-電壓。用單節(jié)保護(hù)IC組成的多節(jié)串聯(lián)保護(hù)板如果沒(méi)有過(guò)電流、短路保護(hù)自鎖定電路，或過(guò)電流、短路保護(hù)自鎖定電路參數(shù)設(shè)置不正確，將燒壞MOSFET。當(dāng)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(shí)間很短，是不會(huì)燒MOSFET的。
在保護(hù)板技術(shù)中，“短路”是“短路過(guò)電流”的簡(jiǎn)稱(chēng)，短路是定性概念，保護(hù)板的規(guī)格書(shū)應(yīng)該定量給出“負(fù)載短路電流”參數(shù)，例如S8261的“負(fù)載短路檢測(cè)電壓”典型值為1.2v，將1.2v除以電流采樣電阻值，就是保護(hù)板的“負(fù)載短路電流”值。
給出此值，表明短路保護(hù)是有限保護(hù)，不是無(wú)限保護(hù)。因此，PACK短路測(cè)試不能直接短路P+/P-，而應(yīng)該串聯(lián)一個(gè)小歐姆電阻器。過(guò)電流、短路保護(hù)鎖定電路的功能是：在過(guò)電流、短路保護(hù)實(shí)施后—即MOSFET已經(jīng)關(guān)斷，負(fù)載連接在P+/P-的狀態(tài)下，仍然保持MOSFET關(guān)斷。若保護(hù)板無(wú)此鎖定功能，MOSFET將會(huì)關(guān)斷—接通—關(guān)斷—接通……，形成振蕩，振蕩周期大約等于負(fù)載短路檢測(cè)延遲時(shí)間(數(shù)百霺)，MOFET在脈沖短路電流的沖擊下將燒壞。多節(jié)保護(hù)IC一般都有防振蕩鎖定功能，不需要另外設(shè)置電路。
4. 放電過(guò)電流檢測(cè)延遲時(shí)間設(shè)定
放電過(guò)電流延遲時(shí)間應(yīng)根據(jù)負(fù)載電容設(shè)定。在電動(dòng)車(chē)上負(fù)載電容有達(dá)50mF的；在電動(dòng)工具保護(hù)板中，雖然沒(méi)有負(fù)載電容，但電機(jī)要求啟動(dòng)電流大，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；但是，目前市場(chǎng)上的采用單節(jié)鋰電池保護(hù)IC組成多節(jié)串聯(lián)鋰電池組保護(hù)板都不能設(shè)定過(guò)電流延遲時(shí)間。
5. 均衡電路
當(dāng)前，保護(hù)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(dòng)電壓精確度差，選擇1%穩(wěn)壓器，均衡啟動(dòng)電壓精確度為4 0 m V；S 8 2 1 1 E均衡電流開(kāi)關(guān)是P-MOSFET；HY2212/HY2213的A型均衡電流開(kāi)關(guān)用N-MOSFET，B型用P-MOSFET；S8211E/HY2212/HY2213成本高，MOSFET均衡電流開(kāi)關(guān)成本也高，但均衡啟動(dòng)電壓精確度高，可達(dá)±25mV。
6. 低溫檢測(cè)
目前，很少具有低溫檢測(cè)保護(hù)功能的鋰電池硬件保護(hù)IC，因此只能另加電路。所見(jiàn)到的低溫保護(hù)電路，其電路結(jié)構(gòu)為NTC、運(yùn)算放大器、穩(wěn)壓器，但這些器件的工電流很大，至少也達(dá)mA量級(jí)，相當(dāng)于增加了電芯的漏電流，不利鋰電池儲(chǔ)存。杭州富格能源科技有限公司設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)保護(hù)電路采用NTC、電壓比較器、LDO，工作電流小于10霢，保護(hù)溫度80℃～－30℃間可調(diào)整，且只需要1個(gè)NTC。 低溫檢測(cè)在軍品低溫鋰電池應(yīng)用中的另一功能是控制常溫、低溫時(shí)的過(guò)放電電壓，保證低溫鋰電池在常溫工作時(shí)不過(guò)放電。
7. 鋰電池保護(hù)IC
保護(hù)板技術(shù)是否先進(jìn)，主要體現(xiàn)在鋰電池保護(hù)IC的性能中。目前大部分保護(hù)板采用單節(jié)保護(hù)IC，主要常用品牌是日本精工、日本理光、臺(tái)灣富晶、臺(tái)灣紘康等，富晶、紘康沒(méi)有多節(jié)串聯(lián)保護(hù)IC。
采用單節(jié)保護(hù)IC組成多節(jié)鋰電池串聯(lián)保護(hù)板，電路結(jié)構(gòu)從光電耦合器驅(qū)動(dòng)MOSFET，改進(jìn)到用或門(mén)電路驅(qū)動(dòng)MOSFET，但元器件數(shù)量仍然很多，焊接點(diǎn)多，因此可靠性差。多節(jié)保護(hù)IC可靠性較高，但精工、理光也只有5節(jié)串聯(lián)保護(hù)IC，仍然需要級(jí)聯(lián)成36v/48v等保護(hù)板；凹凸、T I、MAXIM、LINEAR等公司的8-14串聯(lián)保護(hù)IC價(jià)格電動(dòng)自行車(chē)是不能接受的。
1. 放電過(guò)電流保護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題：
目前市場(chǎng)上賣(mài)的比較火的此割草機(jī)保護(hù)板，5A為正常工作電流，那么所選擇的MOS管就只需要兩對(duì)T430。但是啟動(dòng)電流達(dá)到30A，如果過(guò)放電流設(shè)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(jī)被樹(shù)枝卡住后，電機(jī)電流急驟增加，但達(dá)不到30A，例如29A，此時(shí)MOSFET結(jié)溫迅速上升而如照片燒炸。如何解決這個(gè)問(wèn)題，其實(shí)很簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)工作電流的時(shí)候，應(yīng)該把工作環(huán)境也考慮進(jìn)去，割草機(jī)被樹(shù)枝卡住后，電流急增加，可能會(huì)持續(xù)個(gè)一兩分種，電流有可能達(dá)到30A的持續(xù)工作，固然，MOS的數(shù)量不可少，一定要滿足電機(jī)在最高電流的峰值，如電機(jī)工作電流峰值為20A，保護(hù)板一定設(shè)可持續(xù)20A的工作電流，才保持電機(jī)一直在峰值時(shí)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(hù)板都有這個(gè)問(wèn)題。很多年輕的設(shè)計(jì)員是不會(huì)用MOSFET的，尤其不懂熱設(shè)計(jì)。建議TO220封裝MOSFET的過(guò)電流保護(hù)電流值≤10A；再在MOSFET表面貼裝一個(gè)60℃-80℃的溫度開(kāi)關(guān)。
2. 過(guò)充電保護(hù)恢復(fù)問(wèn)題：
為降低成本，單節(jié)鋰電池保護(hù)IC被普遍用于多節(jié)串聯(lián)鋰電池組，但很多保護(hù)板生產(chǎn)廠，包括有些大公司都不會(huì)設(shè)計(jì)。某電芯廠用廈門(mén)某保護(hù)板廠生產(chǎn)的用單節(jié)保護(hù)IC組成的10節(jié)串聯(lián)保護(hù)板，又用了開(kāi)機(jī)時(shí)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(hù)板的充電MOSFET是不導(dǎo)通的，說(shuō)明是充電器開(kāi)機(jī)時(shí)的浪涌電壓使過(guò)充電保護(hù)了；但充電器與電池組分開(kāi)后，保護(hù)板的充電MOSFET仍然是不導(dǎo)通的，說(shuō)明保護(hù)板的過(guò)充電保護(hù)沒(méi)有恢復(fù)。改變保護(hù)板充電保護(hù)電路的參數(shù)，解決了過(guò)充電保護(hù)恢復(fù)問(wèn)題。
這個(gè)用單節(jié)鋰電池保護(hù)IC組成多節(jié)串聯(lián)鋰電池組保護(hù)板的電路的最初設(shè)計(jì)也許沒(méi)有錯(cuò)誤，或是在傳抄過(guò)程出錯(cuò)了；目前市場(chǎng)上這類(lèi)保護(hù)板都有問(wèn)題，但由于充電器質(zhì)量好—開(kāi)機(jī)沒(méi)有浪涌電壓，充電器恒壓值又小于過(guò)充電電壓值，不會(huì)引起過(guò)充電保護(hù)，也就掩飾了過(guò)充電保護(hù)不能恢復(fù)的故障了。
3. 過(guò)電流、短路保護(hù)鎖定：
PACK組裝后都要做短路測(cè)試，即短路一下P+/P-端口，再測(cè)量P+/P-電壓。用單節(jié)保護(hù)IC組成的多節(jié)串聯(lián)保護(hù)板如果沒(méi)有過(guò)電流、短路保護(hù)自鎖定電路，或過(guò)電流、短路保護(hù)自鎖定電路參數(shù)設(shè)置不正確，將燒壞MOSFET。當(dāng)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(shí)間很短，是不會(huì)燒MOSFET的。
在保護(hù)板技術(shù)中，“短路”是“短路過(guò)電流”的簡(jiǎn)稱(chēng)，短路是定性概念，保護(hù)板的規(guī)格書(shū)應(yīng)該定量給出“負(fù)載短路電流”參數(shù)，例如S8261的“負(fù)載短路檢測(cè)電壓”典型值為1.2v，將1.2v除以電流采樣電阻值，就是保護(hù)板的“負(fù)載短路電流”值。
給出此值，表明短路保護(hù)是有限保護(hù)，不是無(wú)限保護(hù)。因此，PACK短路測(cè)試不能直接短路P+/P-，而應(yīng)該串聯(lián)一個(gè)小歐姆電阻器。過(guò)電流、短路保護(hù)鎖定電路的功能是：在過(guò)電流、短路保護(hù)實(shí)施后—即MOSFET已經(jīng)關(guān)斷，負(fù)載連接在P+/P-的狀態(tài)下，仍然保持MOSFET關(guān)斷。若保護(hù)板無(wú)此鎖定功能，MOSFET將會(huì)關(guān)斷—接通—關(guān)斷—接通……，形成振蕩，振蕩周期大約等于負(fù)載短路檢測(cè)延遲時(shí)間(數(shù)百霺)，MOFET在脈沖短路電流的沖擊下將燒壞。多節(jié)保護(hù)IC一般都有防振蕩鎖定功能，不需要另外設(shè)置電路。
4. 放電過(guò)電流檢測(cè)延遲時(shí)間設(shè)定
放電過(guò)電流延遲時(shí)間應(yīng)根據(jù)負(fù)載電容設(shè)定。在電動(dòng)車(chē)上負(fù)載電容有達(dá)50mF的；在電動(dòng)工具保護(hù)板中，雖然沒(méi)有負(fù)載電容，但電機(jī)要求啟動(dòng)電流大，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；但是，目前市場(chǎng)上的采用單節(jié)鋰電池保護(hù)IC組成多節(jié)串聯(lián)鋰電池組保護(hù)板都不能設(shè)定過(guò)電流延遲時(shí)間。
5. 均衡電路
當(dāng)前，保護(hù)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(dòng)電壓精確度差，選擇1%穩(wěn)壓器，均衡啟動(dòng)電壓精確度為4 0 m V；S 8 2 1 1 E均衡電流開(kāi)關(guān)是P-MOSFET；HY2212/HY2213的A型均衡電流開(kāi)關(guān)用N-MOSFET，B型用P-MOSFET；S8211E/HY2212/HY2213成本高，MOSFET均衡電流開(kāi)關(guān)成本也高，但均衡啟動(dòng)電壓精確度高，可達(dá)±25mV。
6. 低溫檢測(cè)
目前，很少具有低溫檢測(cè)保護(hù)功能的鋰電池硬件保護(hù)IC，因此只能另加電路。所見(jiàn)到的低溫保護(hù)電路，其電路結(jié)構(gòu)為NTC、運(yùn)算放大器、穩(wěn)壓器，但這些器件的工電流很大，至少也達(dá)mA量級(jí)，相當(dāng)于增加了電芯的漏電流，不利鋰電池儲(chǔ)存。杭州富格能源科技有限公司設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)保護(hù)電路采用NTC、電壓比較器、LDO，工作電流小于10霢，保護(hù)溫度80℃～－30℃間可調(diào)整，且只需要1個(gè)NTC。 低溫檢測(cè)在軍品低溫鋰電池應(yīng)用中的另一功能是控制常溫、低溫時(shí)的過(guò)放電電壓，保證低溫鋰電池在常溫工作時(shí)不過(guò)放電。
7. 鋰電池保護(hù)IC
保護(hù)板技術(shù)是否先進(jìn)，主要體現(xiàn)在鋰電池保護(hù)IC的性能中。目前大部分保護(hù)板采用單節(jié)保護(hù)IC，主要常用品牌是日本精工、日本理光、臺(tái)灣富晶、臺(tái)灣紘康等，富晶、紘康沒(méi)有多節(jié)串聯(lián)保護(hù)IC。
采用單節(jié)保護(hù)IC組成多節(jié)鋰電池串聯(lián)保護(hù)板，電路結(jié)構(gòu)從光電耦合器驅(qū)動(dòng)MOSFET，改進(jìn)到用或門(mén)電路驅(qū)動(dòng)MOSFET，但元器件數(shù)量仍然很多，焊接點(diǎn)多，因此可靠性差。多節(jié)保護(hù)IC可靠性較高，但精工、理光也只有5節(jié)串聯(lián)保護(hù)IC，仍然需要級(jí)聯(lián)成36v/48v等保護(hù)板；凹凸、T I、MAXIM、LINEAR等公司的8-14串聯(lián)保護(hù)IC價(jià)格電動(dòng)自行車(chē)是不能接受的。
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