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锂动力电池包保护板功能及接线

北极星储能网  来源:动力电池网    2019/11/14 9:39:09  我要投稿  

北极星储能网讯:摘要:本文在简介了锂动力电池保护板构成的基础上,重点论述了锂动力电池保护板的过充、过放、过流、短路、温度保护功能,讲解了锂动力电池保护板接线顺序及同口保护板接线步骤。

1.锂动力电池保护板构成

锂动力电池保护板是针对锂动力电池设计的起保护作用的集成电路板,锂动力电池需要保护是由其本身特性决定的。由于锂动力电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电,因此在设计锂动力电池包时,会附带设计一块保护板。

锂动力电池保护板通常由控制IC、开关管、精密采用电阻、NTC、PTC、ID存储器等构成,控制IC在锂动力电池包一切正常的情况下控制开关管导通,使电芯与外电路沟通,而当电芯电压或回路电流、温度超过规定值时它立刻(数十毫秒)控制开关管关断,保护电芯的安全。

NTC是Negative temperature coefficient的缩写,即负温度系数电阻,在环境温度升高时,其阻值降低。ID存储器常为单线接口存储器,在ID存储器存储着锂动力电池包种类、生产日期等信息,可起到产品的可追溯和使用寿命信息。

PTC是英文Positive Temperature Coefficient的缩写,是正温度系数电阻,锂动力电池包产品内PTC可以防止锂动力电池包高温放电和不安全的大电流的发生,根据锂动力电池包的电压、电流密度特性和应用环境,对PTC有专门的要求。PTC是锂动力电池包产品内一个非常重要的部件,对锂动力电池包的安全担负着重要使命,它本身的性能和品质也是锂动力电池包性能和品质的一个重要因数。

2.锂动力电池保护板功能

锂动力电池的保护由电子电路组成,在-40℃~+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压、充放回路的电流及电芯温度,即时控制电流回路的通断。针对单一电芯保护的保护板设计会相对简单,而针对锂动力电池包保护的保护板设计,按照不同的需要,其设计复杂程度各不相同。

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在锂动力电池包保护板设计中需要考虑的因素较多,如电压平台问题,锂动力电池包在使用中往往被要求很大的平台电压,所以设计锂动力电池包保护板时尽量使保护板不影响电芯的放电电压,这样对控制IC、采样电阻等元件的要求就会很高,电流采样电阻应满足高精密度,低温度系数,无感等要求。锂电池保护板的电路如图1所示,在图1中,B+、B-分别是接电芯的正、负极;P+、P-分别是保护板输出的正、负极;T为温度电阻(NTC)端口。锂电池保护板的主要功能有过充保护、过放保护、过流保护、短路保护、温度保护。

(1)过充保护

锂动力电池包过充保护的定义:当锂动力电池包某一串电压大于(过压)最大值时,且达到保护延迟时间,IC控制Q2关断充电回路。场效应管Q1、Q2可等效为两只开关,当Q1或Q2的G极电压大于1V时,开关管导通。导通开关管的D、S间内阻很小(数十毫欧姆),相当于开关闭合;当G极电压小于0.7V时,开关管截止,截止的开关管的D、S极间的内阻很大(几兆欧姆),相当于开关断开。

在锂动力电池包充电时,当锂动力电池包通过充电器正常充电时,随着充电时间的增加,电芯两端的电压将逐渐升高,当电芯电压升高到4.4V(通常称为过充保护电压)时,控制IC将判断电芯已处于过充电状态,控制IC将使Q2截止,此时电芯的B一极与保护电路的P-端之间处于断开状态并保持,即电芯的充电回路被切断,停止充电。

当保护电路的P+与P-端接上放电负载后,因此时虽然过充电控制开关管Q2截止,但其内部的二极管正方向与放电回路的电流方向相同,所以仍可对负载放电。当电芯两端电压低于4.3V(通常称为过充保护恢复电压)时,控制IC将Q2退出过充电保护状态,即Q2导通,即电芯的B-端与保护电路P-端又重新接上,电芯又能进行正常的充电。

(2)过放保护

锂动力电池包过放保护的定义:当锂动力电池包某一串电压小于(欠压)最大值时,且达到保护延迟,IC控制Q1关断放电回路。

当电芯通过外接的负载进行放电时,锂动力电池包两端的电压将慢慢降低,同时控制IC内部将通过电阻R1实时监测锂动力电池包电压,当单体电芯电压下降到2.3V(通常称为过放保护电压)时,控制IC认为单体电芯已处于过放电状态,控制IC将使Q1截止,此时电芯的B-与P-之间处于断开状态,即锂动力电池包的放电回路被切断,电芯将停止放电。

保护板处于过放电状态并一直保持到保护板的P+与P-间电压上升到IC的门限电压(一般为3.1V,通常称为过放保护恢复电压),控制IC将使Q1再次导通。即锂动力电池包的B-与保护板的P-又重新接上,锂动力电池包经充电器直接充电。

(3)过流保护

锂动力电池包的过流保护定义:当电池组P+与P-输出电流超过过流/短路电流值,并达到过流延时,控制电路控制放电开关管关断放电回路,停止放电。电流过大产生热量累积是需要一个持续的过程,所以过电流一般会有两重保护,第一重保护的设定值比较小,延时时间比较长,第二重保护的设定值比较大,延时时间很短。当过电流保护动作后,回路电流瞬间就变成了0A,要想恢复保护状态,一般有两种条件 :

1)不需要人工干预,在经过一段时间之后,自动打开回路,如果此刻依然为过流状态,则锂动力电池包又会进入保护,若过流解除,锂动力电池包将进入工作状态。

2)需要人工干预,等负载或者充电机移除后,人工复位过电流保护。

锂动力电池包在对负载正常放电过程中,放电电流在经过串联的2个开关管时,由于开关管的导通阻抗,会在其两端产生一个电压,该电压值U=I×RDS×2(RDS为单个开关管的导通阻抗),控制IC对该电压值进行检测,若负载因某种原因导致异常,使回路电流增大,当回路电流大到使U》0.1V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,控制IC使Q1由导通转为关断,从而切断了放电回路,使回路中电流为零,起到过电流保护作用。

在控制IC检测到过电流发生至发出关断信号之间有一段延时时间,该延时时间的长短由C2决定,通常为13毫秒左右,以避免因干扰而造成误判断。在上述控制过程中,其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值,还取决于开关管的导通阻抗,开关管导通阻抗越大时,对同样的控制IC,其过电流保护值越小。

(4)短路保护

短路保护其实也是过电流保护的一种,只不过当系统短路以后,电流理论上会变成无限大,这样产生的热量也是无限大,如果要等到软件反应过来再保护,锂动力电池包可能已损坏,因此,对于短路保护一般是采用硬件来自动触发,触发后传递给控制IC一个信号即可。

当锂动力电池包P+与P-输出电流超过短路电流值,并达到短路延时,控制电路控制放电开关管关断放电回路,停止放电。短路保护是过电流保护的一种极限形式,其控制过程及原理与过电流保护一样,短路只是在相当于在P+、P-间加上一个阻值小的电阻(约为0Ω)使保护板的负载电流瞬时达到设定值,保护板立即触发短路保护。

(5)温度保护

锂动力电池包温度保护定义:当锂动力电池包的温度达到温度阈值时,且达到保护延迟,控制电路控制关断充放电开关管,停止充放电。温度保护比较简单,温度保护值有上限也有下限,甚至在细分还可以分为充电时的温度保护以及放电时的温度保护,需根据实际需要设计。

在设计时需要注意的是,在实际的测试中发现,温度是一个比较容易抖动的值(这和选用的传感器有关,比如使用热敏电阻),所以在判断的时候保护值和恢复值一定要做出一个合理的区间,不然系统会不稳定。

保护板上的T端口为过温保护端,常见的过温保护电路是在T端与P-端接一只NTC电阻(见图1中的R3),该电阻紧贴电芯安装。当用锂动力电池包长时间处于大功率工作状态时,锂动力电池包温度会上升,则NTC阻值会逐渐下降,锂动力电池包保护板的控制IC对NTC阻值进行检测,当阻值下降到设定阈值时,控制IC立即发出关断充放电开关管指令,从而达到保护锂动力电池包的目的。

3.锂动力电池保护板接线

锂动力电池保护板分正极板和负极板,负极板分为负极同口板、负极分口板,其功能都是一样的,不支持通过软件来修改正、负极保护板的设置,所以只能按照保护板接线图来确定保护方式。

(1)负极板分口接线

负极板分口接线如图2所示,负极板分口接线顺序见表1。

(2)负极板同口接线

负极板同口接线如图3所示,负极板分口接线顺序见表2。

(3)正极板同口接线

正极板同口接线如图4所示,正极板分口接线顺序见表3。

(4)同口保护板接线步骤

因不同厂家的锂动力电池包保护板的排线是不通用,在接线时应确保使用配套排线,同口保护板接线步骤如下:

1)在接排线之前,不要把排线插入保护板。

2)将保护板B-线(蓝色粗线)接到动力电池总负极端。

3)排线的第1根细黑线接B-,第2根线(细红线)连接第1串电池正极,后面依次连接每一串电池的正极,直到最后一串B+。

4)排线接好后,测量插头背面每两个相邻金属端子间的电压,如果是三元聚合物电池电压应该在2.8~4.2V之间,铁锂电池应该在2.5~3.65V之间,钛酸锂电池应该在1.6~2.8V之间。

5)检测电压无误后,将保护板插入保护板插座。

6)测量电池B+,B-电压与P+,P-电压是否一致,若两电压一致,说明保护板工作正常(保护板相当于开关,开关已经打开,电流可安全通过)。如不一,按照上面接线顺序检查接线是否正确。

同口和分口保护板排线的接线方法是一样的,区别在于放电线、充电线的接线方法不一样。同口充放电的负极都是接在P-线上;分口是充电线接在C-线上、放电接在P-线上。


原标题:专题 锂动力电池包保护板功能及接线

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