多串锂电池保护板设计注意事项2021-07-14 08:18
随着锂电池技术的成熟，市场对锂电池的要求也越来越大，锂电池PACK的安全优为重要，目前市场发生的锂电池燃烧及爆炸事件，锂电池本身是一个重要原因，而保护板也是很关键的因素，因为保护板失效而造成的燃烧爆炸不在少数。特别是在多串锂电池PACK中，锂电池只护板，只要有一串失效，就有可能导至整个电池组燃烧爆炸，可见多串锂电池保护板在电池应用中的生要性。那么在设计多串锂电池保护板时，需要注意那些事项呢？
1. 放电过电流保护设计问题：
目前市场上卖的比较火的此割草机保护板，5A为正常工作电流，那么所选择的MOS管就只需要两对T430。但是启动电流达到30A，如果过放电流设30A，在放电电流在大于5A但小于30A段，MOS管将工作在不安全区。割草机被树枝卡住后，电机电流急骤增加，但达不到30A，例如29A，此时MOSFET结温迅速上升而如照片烧炸。如何解决这个问题，其实很简单，在设计工作电流的时候，应该把工作环境也考虑进去，割草机被树枝卡住后，电流急增加，可能会持续个一两分种，电流有可能达到30A的持续工作，固然，MOS的数量不可少，一定要满足电机在最高电流的峰值，如电机工作电流峰值为20A，保护板一定设可持续20A的工作电流，才保持电机一直在峰值时的工作状态。
目前，很多厂商为了节省成本，几乎所有保护板都有这个问题。很多年轻的设计员是不会用MOSFET的，尤其不懂热设计。建议TO220封装MOSFET的过电流保护电流值≤10A；再在MOSFET表面贴装一个60℃-80℃的温度开关。
2. 过充电保护恢复问题：
为降低成本，单节锂电池保护IC被普遍用于多节串联锂电池组，但很多保护板生产厂，包括有些大公司都不会设计。某电芯厂用厦门某保护板厂生产的用单节保护IC组成的10节串联保护板，又用了开机时输出浪涌电压很高的充电器，接通交流电源后充电器就显示充满，检查保护板的充电MOSFET是不导通的，说明是充电器开机时的浪涌电压使过充电保护了；但充电器与电池组分开后，保护板的充电MOSFET仍然是不导通的，说明保护板的过充电保护没有恢复。改变保护板充电保护电路的参数，解决了过充电保护恢复问题。
这个用单节锂电池保护IC组成多节串联锂电池组保护板的电路的最初设计也许没有错误，或是在传抄过程出错了；目前市场上这类保护板都有问题，但由于充电器质量好—开机没有浪涌电压，充电器恒压值又小于过充电电压值，不会引起过充电保护，也就掩饰了过充电保护不能恢复的故障了。
3. 过电流、短路保护锁定：
PACK组装后都要做短路测试，即短路一下P+/P-端口，再测量P+/P-电压。用单节保护IC组成的多节串联保护板如果没有过电流、短路保护自锁定电路，或过电流、短路保护自锁定电路参数设置不正确，将烧坏MOSFET。当然MOSFET的漏极电流Id足够大或锂电池的容量比较小或短路P+/P-端口的时间很短，是不会烧MOSFET的。
在保护板技术中，“短路”是“短路过电流”的简称，短路是定性概念，保护板的规格书应该定量给出“负载短路电流”参数，例如S8261的“负载短路检测电压”典型值为1.2v，将1.2v除以电流采样电阻值，就是保护板的“负载短路电流”值。
给出此值，表明短路保护是有限保护，不是无限保护。因此，PACK短路测试不能直接短路P+/P-，而应该串联一个小欧姆电阻器。过电流、短路保护锁定电路的功能是：在过电流、短路保护实施后—即MOSFET已经关断，负载连接在P+/P-的状态下，仍然保持MOSFET关断。若保护板无此锁定功能，MOSFET将会关断—接通—关断—接通……，形成振荡，振荡周期大约等于负载短路检测延迟时间(数百霺)，MOFET在脉冲短路电流的冲击下将烧坏。多节保护IC一般都有防振荡锁定功能，不需要另外设置电路。
4. 放电过电流检测延迟时间设定
放电过电流延迟时间应根据负载电容设定。在电动车上负载电容有达50mF的；在电动工具保护板中，虽然没有负载电容，但电机要求启动电流大，且持续时间长；但是，目前市场上的采用单节锂电池保护IC组成多节串联锂电池组保护板都不能设定过电流延迟时间。
5. 均衡电路
当前，保护板都采用充电尾部分流均衡，常采用的电路是TL431/S8211E/HY2212/HY2213 。
TL431的成本低，但功耗电流大，均衡启动电压精确度差，选择1%稳压器，均衡启动电压精确度为4 0 m V；S 8 2 1 1 E均衡电流开关是P-MOSFET；HY2212/HY2213的A型均衡电流开关用N-MOSFET，B型用P-MOSFET；S8211E/HY2212/HY2213成本高，MOSFET均衡电流开关成本也高，但均衡启动电压精确度高，可达±25mV。
6. 低温检测
目前，很少具有低温检测保护功能的锂电池硬件保护IC，因此只能另加电路。所见到的低温保护电路，其电路结构为NTC、运算放大器、稳压器，但这些器件的工电流很大，至少也达mA量级，相当于增加了电芯的漏电流，不利锂电池储存。杭州富格能源科技有限公司设计的温度检测保护电路采用NTC、电压比较器、LDO，工作电流小于10霢，保护温度80℃～－30℃间可调整，且只需要1个NTC。 低温检测在军品低温锂电池应用中的另一功能是控制常温、低温时的过放电电压，保证低温锂电池在常温工作时不过放电。
7. 锂电池保护IC
保护板技术是否先进，主要体现在锂电池保护IC的性能中。目前大部分保护板采用单节保护IC，主要常用品牌是日本精工、日本理光、台湾富晶、台湾紘康等，富晶、紘康没有多节串联保护IC。
采用单节保护IC组成多节锂电池串联保护板，电路结构从光电耦合器驱动MOSFET，改进到用或门电路驱动MOSFET，但元器件数量仍然很多，焊接点多，因此可靠性差。多节保护IC可靠性较高，但精工、理光也只有5节串联保护IC，仍然需要级联成36v/48v等保护板；凹凸、T I、MAXIM、LINEAR等公司的8-14串联保护IC价格电动自行车是不能接受的。
1. 放电过电流保护设计问题：
目前市场上卖的比较火的此割草机保护板，5A为正常工作电流，那么所选择的MOS管就只需要两对T430。但是启动电流达到30A，如果过放电流设30A，在放电电流在大于5A但小于30A段，MOS管将工作在不安全区。割草机被树枝卡住后，电机电流急骤增加，但达不到30A，例如29A，此时MOSFET结温迅速上升而如照片烧炸。如何解决这个问题，其实很简单，在设计工作电流的时候，应该把工作环境也考虑进去，割草机被树枝卡住后，电流急增加，可能会持续个一两分种，电流有可能达到30A的持续工作，固然，MOS的数量不可少，一定要满足电机在最高电流的峰值，如电机工作电流峰值为20A，保护板一定设可持续20A的工作电流，才保持电机一直在峰值时的工作状态。
目前，很多厂商为了节省成本，几乎所有保护板都有这个问题。很多年轻的设计员是不会用MOSFET的，尤其不懂热设计。建议TO220封装MOSFET的过电流保护电流值≤10A；再在MOSFET表面贴装一个60℃-80℃的温度开关。
2. 过充电保护恢复问题：
为降低成本，单节锂电池保护IC被普遍用于多节串联锂电池组，但很多保护板生产厂，包括有些大公司都不会设计。某电芯厂用厦门某保护板厂生产的用单节保护IC组成的10节串联保护板，又用了开机时输出浪涌电压很高的充电器，接通交流电源后充电器就显示充满，检查保护板的充电MOSFET是不导通的，说明是充电器开机时的浪涌电压使过充电保护了；但充电器与电池组分开后，保护板的充电MOSFET仍然是不导通的，说明保护板的过充电保护没有恢复。改变保护板充电保护电路的参数，解决了过充电保护恢复问题。
这个用单节锂电池保护IC组成多节串联锂电池组保护板的电路的最初设计也许没有错误，或是在传抄过程出错了；目前市场上这类保护板都有问题，但由于充电器质量好—开机没有浪涌电压，充电器恒压值又小于过充电电压值，不会引起过充电保护，也就掩饰了过充电保护不能恢复的故障了。
3. 过电流、短路保护锁定：
PACK组装后都要做短路测试，即短路一下P+/P-端口，再测量P+/P-电压。用单节保护IC组成的多节串联保护板如果没有过电流、短路保护自锁定电路，或过电流、短路保护自锁定电路参数设置不正确，将烧坏MOSFET。当然MOSFET的漏极电流Id足够大或锂电池的容量比较小或短路P+/P-端口的时间很短，是不会烧MOSFET的。
在保护板技术中，“短路”是“短路过电流”的简称，短路是定性概念，保护板的规格书应该定量给出“负载短路电流”参数，例如S8261的“负载短路检测电压”典型值为1.2v，将1.2v除以电流采样电阻值，就是保护板的“负载短路电流”值。
给出此值，表明短路保护是有限保护，不是无限保护。因此，PACK短路测试不能直接短路P+/P-，而应该串联一个小欧姆电阻器。过电流、短路保护锁定电路的功能是：在过电流、短路保护实施后—即MOSFET已经关断，负载连接在P+/P-的状态下，仍然保持MOSFET关断。若保护板无此锁定功能，MOSFET将会关断—接通—关断—接通……，形成振荡，振荡周期大约等于负载短路检测延迟时间(数百霺)，MOFET在脉冲短路电流的冲击下将烧坏。多节保护IC一般都有防振荡锁定功能，不需要另外设置电路。
4. 放电过电流检测延迟时间设定
放电过电流延迟时间应根据负载电容设定。在电动车上负载电容有达50mF的；在电动工具保护板中，虽然没有负载电容，但电机要求启动电流大，且持续时间长；但是，目前市场上的采用单节锂电池保护IC组成多节串联锂电池组保护板都不能设定过电流延迟时间。
5. 均衡电路
当前，保护板都采用充电尾部分流均衡，常采用的电路是TL431/S8211E/HY2212/HY2213 。
TL431的成本低，但功耗电流大，均衡启动电压精确度差，选择1%稳压器，均衡启动电压精确度为4 0 m V；S 8 2 1 1 E均衡电流开关是P-MOSFET；HY2212/HY2213的A型均衡电流开关用N-MOSFET，B型用P-MOSFET；S8211E/HY2212/HY2213成本高，MOSFET均衡电流开关成本也高，但均衡启动电压精确度高，可达±25mV。
6. 低温检测
目前，很少具有低温检测保护功能的锂电池硬件保护IC，因此只能另加电路。所见到的低温保护电路，其电路结构为NTC、运算放大器、稳压器，但这些器件的工电流很大，至少也达mA量级，相当于增加了电芯的漏电流，不利锂电池储存。杭州富格能源科技有限公司设计的温度检测保护电路采用NTC、电压比较器、LDO，工作电流小于10霢，保护温度80℃～－30℃间可调整，且只需要1个NTC。 低温检测在军品低温锂电池应用中的另一功能是控制常温、低温时的过放电电压，保证低温锂电池在常温工作时不过放电。
7. 锂电池保护IC
保护板技术是否先进，主要体现在锂电池保护IC的性能中。目前大部分保护板采用单节保护IC，主要常用品牌是日本精工、日本理光、台湾富晶、台湾紘康等，富晶、紘康没有多节串联保护IC。
采用单节保护IC组成多节锂电池串联保护板，电路结构从光电耦合器驱动MOSFET，改进到用或门电路驱动MOSFET，但元器件数量仍然很多，焊接点多，因此可靠性差。多节保护IC可靠性较高，但精工、理光也只有5节串联保护IC，仍然需要级联成36v/48v等保护板；凹凸、T I、MAXIM、LINEAR等公司的8-14串联保护IC价格电动自行车是不能接受的。
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