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動力電池保護板保護項目及注意事項
2012-08-03
1．電壓保護：過充，過放，這要根據(jù)電池的材料不同而有所改變，這點看似簡單，但要細節(jié)上來看，還是有經(jīng)驗學(xué)問的。
過充保護，在我們以往的單節(jié)電池保護電壓都會高出電池充飽電壓50~150mV。但是動力電池不一樣，如果你要想延長電池壽命，你的保護電壓就選擇電池的充飽電壓，甚至還要比此電壓還低些。比如錳鋰電池，可以選擇4.18V~4.2V。因為它是多串?dāng)?shù)的，整個電池組的壽命容量主要是以容量最低的那顆電池以準(zhǔn)，小容的總是在大電流高電壓工作，所以衰減加快。而大容量每次都是輕充輕放，自然衰減要慢得多了。為了讓小容量的電池也是輕充輕放，所以過充保護電壓點不要選擇太高。這個保護延時可以做到1S,防止脈沖的影響從而保護。
過放保護，也是與電池的材料有關(guān)，如錳鋰電池一般選擇在2.8V~3.0V。盡量要比它單顆電池過放的電壓稍高點。因為，在國內(nèi)生產(chǎn)的電池，電池電壓低于3.3V后，各顆電池的放電特性完全不一，因此是提前保護電池，這樣對電池的壽命是一個很好的保護。
總的一點就是盡量讓每一顆電池都工作在輕充輕放下工作，一定是對電池的壽命是一個幫助。
過放保護延滯時間，它要根據(jù)負載的不同而有所改變，比如電動工具類的，他的啟動電流一般都在10C以上，因此會在短時間內(nèi)把電池的電壓拉到過放電壓點從而保護。此時無法讓電池工作。這是值得注意的地方。
2．電流保護：它主要體現(xiàn)在工作電流與過電流使開關(guān)MOS斷開從而保護電池組或負載。
MOS管的損壞主要是溫度急劇升高，它的發(fā)熱也是電流的大小及本身的內(nèi)阻來決定的，當(dāng)然小電流，對MOS沒什么影響，但是大電流呢，這個就要好好做些處理了，在通過額定電流時，小電流10A以下，我們可以直接用電壓來驅(qū)動MOS管。大電流，一定是要加驅(qū)動，給MOS足夠大的驅(qū)動電流。以下在MOS管驅(qū)動有講到
工作電流，在設(shè)計的時候，MOS管上不能存在超過0.3W的功率。計算工式：I２*R/N。R為MOS的內(nèi)阻，N為MOS的數(shù)量。如果功率超過，MOS會產(chǎn)生25度以上的溫升，又因它們都是密封的,就算有散熱片，長時間工作時，溫度還是會上去，因為他沒地方可散熱。當(dāng)然MOS管是沒任何問題，問題是他產(chǎn)生熱量會影響到電池，畢竟保護板是與電池放在一起的。
過流保護(最大電流)，此項是保護板必不可少的，非常關(guān)鍵的一個保護參數(shù)。保護電流的大小與MOS的功率息息相關(guān)，因此在設(shè)計時，要盡量給出MOS能力的余量。在布板的時候，電流檢測點一定要選好位置，不能只接通就行，這需要經(jīng)驗值。一般建議接在檢測電阻的中間端。還要注意電流檢測端的干擾問題，因為它的信號很容易受到干擾。
過流保護延時，它也是要根不同的產(chǎn)品做相應(yīng)的調(diào)整。在此不多說了。
3．短路保護：嚴(yán)格來講，他是一個電壓比較型的保護，也就是講是用電壓的比較直接關(guān)斷或驅(qū)動的，不要經(jīng)過多余的處理。
短路延時的設(shè)置也很關(guān)鍵，因為在我們的產(chǎn)品中，輸入濾波電容都是很大的，在接觸時第一時間給電容充電，此時就相當(dāng)于電池短路來給電容充電。
4．溫度保護：一般在智能電池上都會用到，也是不可少的。但往往它的完美總會帶來另一方面的不足。我們主要是檢測電池的溫度來斷開總開關(guān)來保護電池本身或負載。如果是在一個恒定的環(huán)境條件下，當(dāng)然不會有什么問題。由于電池的工作環(huán)境是我們不可控的，太多太復(fù)雜的變化，因此不好選擇。如在北方的冬天，我們定在多少合適？又如夏天的南方地區(qū)，又定多少合適？顯然范圍太寬不可控的因素太多，仁者見仁，智者見智的去選擇了。
5．MOS保護：主要是MOS的電壓，電流與溫度。當(dāng)然就是牽扯到MOS管的選型了。MOS的耐壓當(dāng)然要超過電池組的電壓，這是必須的。電流講的是在通過額定電流時MOS管體上的溫升了一般不超過25度的溫升，個人經(jīng)驗值，只供參考。
MOS的驅(qū)動，也許會有的人會講，我有用低內(nèi)阻大電流的MOS管，但為何還有蠻高的溫度？這是MOS管的驅(qū)動部分沒有做好，驅(qū)動MOS要有足夠大的電流，具體多大的驅(qū)動電流，要根據(jù)功率MOS管的輸入電容來定。因此，一般的過流與短路驅(qū)動都不能用芯片直接驅(qū)動，一定要外加。在大電流（超過50A）工作時，一定要做到多級多路驅(qū)動，才能保證MOS的同一時間同一電流正常打開與關(guān)閉。因為MOS管有一個輸入電容， MOS管功率,電流越大，輸入電容也就越大，如果沒有足夠的電流，不會在短時間做出完整的控制。尤其是電流超過50A時，電流設(shè)計上更要細化，一定要做到多級多路驅(qū)動控制。這樣才能保證MOS的正常過流與短路保護。
MOS電流平衡，主要講的是多顆MOS并起來用時，要讓每一顆MOS管通過的電流，打開與關(guān)閉時間都是一致的。這就要在畫板方面入手了，它們的輸入輸出一定要對稱，一定要保證每一個管子通過的電流是一致這才是目的。
6．自耗電量, 這個參數(shù)是越小越好，最理想的狀態(tài)是為零，但不可能做到這一點。就是因為人人都想把這個參數(shù)做小，有很多人的要求更低，甚至離譜，我們想想，保護板上有芯片，它們是要工作的，可以做到很低，但是可靠性呢？應(yīng)該是在性能可靠完全OK的情況下再來考量自耗電的問題。有些朋友也許進入了誤區(qū)，自耗電分為整體的自耗電和每一串的自耗電。
整體自耗電，如果在100~500uA都是沒什么問題的，因為動力電池的容量本身就很大。當(dāng)然電動工具的另外分析。如5AH的電池，放電500uA，要放多久，因此對整個電池組來講是很微弱的。
每串自耗電才最關(guān)鍵的，這個也不可能為零，當(dāng)然也是在性能完全可行情況下進行，但有一點，每一串的自耗電量一定要一致，一般每一串的差別不能超過5uA。這點大家應(yīng)該知道，如果每一串的自耗電不一時，那么在長時間擱置下，電池的容量一定會產(chǎn)生變化的。
7．均衡：均衡這一塊是此文章的論述的重點。目前最通用的均衡方式分為兩種，一種就是耗能式的，另一種就是轉(zhuǎn)能式的。
A耗能式均衡,主要是把多串電池中某節(jié)電池的電量或電壓高的用電阻把多余的電能損耗掉。它也分如下三種。
一，充電時時均衡，它主要是在充電時任何一顆電池的電壓高出所有電池平均電壓時，它就啟動均衡，無論電池的電壓在什么范圍，它主要是應(yīng)用在智能軟件方案上。當(dāng)然如何定義可以由軟件任意調(diào)整。此方案的優(yōu)點它能有更多的時間去做電池的電壓均衡。
二，電壓定點均衡，就是把均衡啟動定在一個電壓點上，如錳鋰電池，很多就定在4.2V開始均衡。這種方式只是在電池充電的末端進行，所以均衡時間較短，用處可想而知。
三，靜態(tài)自動均衡，它也可以在充電的過程中進行，也可以在放電時進行，更有特點的是，電池在靜態(tài)擱置時，如果電壓不一致時，它也在均衡著，直到電池的電壓達到一致。但有人認為，電池都沒工作了，為什么保護板還是在發(fā)熱呢？
以上三種方式都以是參考電壓來實現(xiàn)均衡的。但是，電池電壓高不一定代表容量就高，也許截然相反。以下論述。
其優(yōu)點就是成本低，設(shè)計簡單，在電池電壓不一致時能起到一定的作用，主要體現(xiàn)在電池長時間擱置自耗引起的電壓不一致。理論上是有微弱的可行性。
缺點，電路復(fù)雜，元件多，溫度高，防靜電差，故障率高。
具體探討如下。
當(dāng)新單體電池分容分壓分內(nèi)阻過后組成PACK，總會有各別的單體容量偏低，而往往容量最低的那顆單體，在充電的過程中電壓一定是上升最快的，也是它最先到達啟動均衡電壓的，此時，大容量的單體還沒達到電壓點而沒有啟動均衡，小容量的確開始均衡了，這樣每一次的循環(huán)工作，這顆小容量的單體一直處于飽充飽放的狀態(tài)下工作，而它也是衰老最快的，同時內(nèi)阻自然也會慢慢的比其它的單體增高，從而形成一個惡性循環(huán)。這是一個極大的弊端。
元件越多，故障率自然就高了。
溫度，可想而知，耗能式的，是想把所謂多余的電量用電阻以發(fā)熱的形式來耗掉多余的電能，它確成了名副其實發(fā)熱源。而高溫對電芯本身來講是非常致命的一個相當(dāng)因素，它可能會讓電池燃燒，也可能會引起電池爆炸。本來我們是在想盡一切辦法去減少整個電池包的溫度產(chǎn)生，而耗能均衡呢？同時它的溫度高得驚人，大家可以去測試一下，當(dāng)然是在全封閉的環(huán)境下。總的來說，它是一個發(fā)熱體，熱是電池的致命天敵。
靜電，我個人設(shè)計保護板時，從來不用小功率的MOS管，哪怕一顆都不用。因為本人在這一塊吃過太多的虧了。就是MOS管的靜電問題。先不說小MOS在工作的環(huán)境，就說在生產(chǎn)加工PCBA貼片時，如果車間的濕度低于60%，小MOS生產(chǎn)出來的不良率都會超過10%以上，然后再濕度調(diào)到80%。小MOS的不良率為零。可以試試。這要表明一個什么問題呢？如果我們的產(chǎn)品在北方的冬天，小MOS是否能通過，這需要時間來驗證的。再有，MOS管的損壞只有短路，如果短路那可想而知，就意味著這組電池馬上要損壞。更何況我們的均衡上的小MOS用得還不少呢。這時有人會恍然，難怪退回來的貨，都是因為均衡壞掉而引起單體電池損壞，而且都是MOS壞掉了。這時電芯廠與保護板廠開始扯皮了。是誰的錯呢？
B能量轉(zhuǎn)移式均衡，它是讓大容量的電池以儲能的方式轉(zhuǎn)移到小容量的電池，聽起來感覺很智能很實用。它也分容量時時均衡與容量定點均衡。它是以檢測電池的容量來做均衡的，但是好像沒考慮到電池的電壓。可以想想，以10AH的電池組為例，假如電池組中有一顆容量在10.1AH，一顆容量小點的在9.8AH，充電電流為2A，能量均衡電流為0.5A。這時10.1AH的要給小容量9.8AH的轉(zhuǎn)能充電，而9.8AH的電池充電電流就是2A+0.5A=2.5A，這時9.8AH電池的充電電流就是2.5A，這時9.8AH的容量是補進去了，可是9.8AH電池的電壓會是多少呢？顯然會比其它電池的上升得更快，如果到了充電末端，9.8AH的一定會大大提前過充保護，在每一次的充放電循環(huán)，小容量電池一直處在深充深放的狀態(tài)。而其它電池是否有充飽，不確定因素太多。微弱直觀的就小分析到這，分析太多怕不知所云。
均衡總結(jié)本人有這么一個定論：如果堅持要用到均衡功能的人，我可以斷定此人沒有大批量生產(chǎn)動力電池保護板或PACK的經(jīng)驗。如果有大批量生產(chǎn)過，他一定會在均衡上吃不少的虧。個人認為，均衡利用保護板來實現(xiàn)，有點滑稽。因為保護板就是保護的，它只做電池在最極端的時候起到有效的保護作用，它沒有能力去把電池的性能提高，保護板只是一個被動部分，難道家里的保護絲或保護開關(guān)能提高家里的電量？當(dāng)然不可能。它只起到保護作用。
電芯才是主動器件,我們要提高的是電芯上的性能與技術(shù),主要是一致性。再說均衡做在保護板上，不管是從理論上還是實際應(yīng)用中，它有弊有利，但在理論上，均衡有一定的作用，但用處多大，顯然可見。為何？因為充電一般都是在2~10A的電流，而均衡我們最多只能做到200mA。這個差別太多，同時有些均衡方案是在充電電壓的末端啟動，更顯得于事無補啊。而它有弊端的一面，太多太多。
本文總結(jié): 以上都是憑借本人與多位朋友多年在此行業(yè)得出來的經(jīng)驗所述，沒有參考任何文獻。還是那句話，此文的經(jīng)驗含量80%，技術(shù)含量在20% 。如果要做好動力電池保護板，請堅持如下幾點：
1． 保護板只做純粹的保護功能，不要有太多的花哨。
2． PACK的工作環(huán)境是必不可少的考量重點。
3． 整個板的防靜電問題，這是良品的最大殺手。
4． 每一組的電壓點電流點必須做100%的電氣測試。
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