01

鋰動力電池保護板構成

鋰動力電池保護板是針對鋰動力電池設計的起保護作用的集成電路板，鋰動力電池需要保護是由其本身特性決定的。由于鋰動力電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，因此在設計鋰動力電池包時，會附帶設計一塊保護板。

鋰動力電池保護板通常由控制IC、開關管、精密采用電阻、NTC、PTC、ID存儲器等構成，控制IC在鋰動力電池包一切正常的情況下控制開關管導通，使電芯與外電路溝通，而當電芯電壓或回路電流、溫度超過規(guī)定值時，它立刻（數(shù)十毫秒）控制開關管關斷，保護電芯的安全。

NTC是Negative temperature coefficient的縮寫，即負溫度系數(shù)電阻，在環(huán)境溫度升高時，其阻值降低。ID存儲器常為單線接口存儲器，在ID存儲器存儲著鋰動力電池包種類、生產日期等信息，可起到產品的可追溯和使用壽命信息。

PTC是英文Positive Temperature Coefficient的縮寫，是正溫度系數(shù)電阻，鋰動力電池包產品內PTC可以防止鋰動力電池包高溫放電和不安全的大電流的發(fā)生，根據(jù)鋰動力電池包的電壓、電流密度特性和應用環(huán)境，對PTC有專門的要求。PTC是鋰動力電池包產品內一個非常重要的部件，對鋰動力電池包的安全擔負著重要使命，它本身的性能和品質也是鋰動力電池包性能和品質的一個重要因數(shù)。

02

過流保護

鋰動力電池包的過流保護定義：當電池組P+與P-輸出電流超過過流/短路電流值，并達到過流延時，控制電路控制放電開關管關斷放電回路，停止放電。電流過大產生熱量累積是需要一個持續(xù)的過程，所以過電流一般會有兩重保護，第一重保護的設定值比較小，延時時間比較長，第二重保護的設定值比較大，延時時間很短。當過電流保護動作后，回路電流瞬間就變成了0A，要想恢復保護狀態(tài)，一般有兩種條件 ：

1）不需要人工干預，在經過一段時間之后，自動打開回路，如果此刻依然為過流狀態(tài)，則鋰動力電池包又會進入保護，若過流解除，鋰動力電池包將進入工作狀態(tài)。

2）需要人工干預，等負載或者充電機移除后，人工復位過電流保護。

鋰動力電池包在對負載正常放電過程中，放電電流在經過串聯(lián)的2個開關管時，由于開關管的導通阻抗，會在其兩端產生一個電壓，該電壓值U=I×RDS×2（RDS為單個開關管的導通阻抗），控制IC對該電壓值進行檢測，若負載因某種原因導致異常，使回路電流增大，當回路電流大到使U》0.1V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，控制IC使Q1由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護作用。

在控制IC檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關斷信號之間有一段延時時間，該延時時間的長短由C2決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。在上述控制過程中，其過電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于開關管的導通阻抗，開關管導通阻抗越大時，對同樣的控制IC，其過電流保護值越小。

03

短路保護

短路保護其實也是過電流保護的一種，只不過當系統(tǒng)短路以后，電流理論上會變成無限大，這樣產生的熱量也是無限大，如果要等到軟件反應過來再保護，鋰動力電池包可能已損壞，因此，對于短路保護一般是采用硬件來自動觸發(fā)，觸發(fā)后傳遞給控制IC一個信號即可。

當鋰動力電池包P+與P-輸出電流超過短路電流值，并達到短路延時，控制電路控制放電開關管關斷放電回路，停止放電。短路保護是過電流保護的一種極限形式，其控制過程及原理與過電流保護一樣，短路只是在相當于在P+、P-間加上一個阻值小的電阻（約為0Ω）使保護板的負載電流瞬時達到設定值，保護板立即觸發(fā)短路保護。

電池保護板原理圖，先看看池保護板概述，顧名思義鋰電池保護板主要是針對可充電（一般指鋰電池）起保護作用的集成電路板。鋰電池（可充型）之所以需要保護，是由它本身特性決定的。由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，因此鋰電池鋰電組件總會跟著一塊帶采樣電阻的保護板和一片電流保險器出現(xiàn)。

鋰電池的保護功能通常由保護電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成，保護板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時刻準確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，及時控制電流回路的通斷；PTC在高溫環(huán)境下防止電池發(fā)生惡劣的損壞。

04

電池保護板原理圖

電池保護板原理圖解析如下文，普通鋰電池保護板通常包括控制IC、MOS開關、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存儲器等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開關導通，使電芯與外電路導通，而當電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時，它立刻控制MOS開關關斷，保護電芯的安全。

在保護板正常的情況下，Vdd為高電平，Vss,VM為低電平，DO、CO為高電平，當Vdd,Vss,VM任何一項參數(shù)變換時，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。

1、過充電檢出電壓：在通常狀態(tài)下，Vdd逐漸提升至CO端由高電平 變?yōu)榈碗娖綍rVDD-VSS間電壓。

2、過充電解除電壓：在充電狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至CO端由低電平 變?yōu)楦唠娖綍rVDD-VSS間電壓。

3、過放電檢出電壓：通常狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至D O端由高電平 變?yōu)榈碗娖綍rVDD- VSS間電壓。

4、過放電解除電壓：在過放電狀態(tài)下，Vdd逐漸上升到DO端由低電平 變?yōu)楦唠娖綍r VDD-VSS間電壓 。

5、過電流1檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM逐漸升至DO由高電平 變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。

6、過電流2檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM從OV起以1ms以上4ms以下的速度升到 DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。

7、負載短路檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM以OV起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。

8、充電器檢出電壓：在過放電狀態(tài)下，VM以OV逐漸下降至DO由低電平變?yōu)樽優(yōu)楦唠娖綍rVM-VSS間電壓。

9、通常工作時消耗電流：在通常狀態(tài)下，流以VDD端子的電流（IDD）即為通常工作時消耗電流。

10、過放電消耗電流：在放電狀態(tài)下，流經VDD端子的電流（IDD）即為過流放電消耗電流。

11、通常狀態(tài)：電池電壓在過放電檢出電壓以上（2.75V以上），過充電檢出電壓以下（4.3V以下），VM端子的電壓在充電器檢出電壓以上，在過電流/檢出電壓以下（OV）的情況下，IC通過監(jiān)視連接在VDD-VSS間的電壓差及VM-VSS間的電壓差而控制MOS管，DO、CO端都為高電平，MOS管處導通狀態(tài)，這時可以自由的充電和放電；

當電池被充電使電壓超過設定值VC(4.25-4.35V)后，VD1翻轉使Cout變?yōu)榈碗娖剑琓1截止，充電停止，當電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V)時，Cout變?yōu)楦唠娖剑琓1導通充電繼續(xù)， VCR小于VC一個定值，以防止電流頻繁跳變。

當電池電壓因放電而降低至設定值VD（2.3-2.5V）時， VD2翻轉，以IC內部固定的短時間延時后，使Dout變?yōu)榈碗娖剑琓2截止，放電停止。

電池保護板原理圖

當電路放電電流超過設定值或輸出被短路時，過流、短路檢測電路動作，使MOS管（T2）關斷，電流截止。

該保護回路由兩個MOSFET（T1、T2）和一個控制IC（N1）外加一些阻容元件構成。控制IC負責監(jiān)測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關作用，分別控制著充電回路與放電回路的導通與關斷，C2為延時電容，該電路具有過充電保護、過放電保護、過電流保護與短路保護功能，其工作原理分析如下：

1、短路保護

電池在對負載放電過程中，若回路電流大到使U>0.9V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，控制IC則判斷為負載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉變?yōu)榱汶妷海筎2由導通轉為關斷，從而切斷放電回路，起到短路保護作用。短路保護的延時時間極短，通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護類似，只是判斷方法不同，保護延時時間也不一樣。

2、過放電保護

電池在對外部負載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當電池電壓降至2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續(xù)對負載放電，將造成電池的永久性損壞。

在電池放電過程中，當控制IC檢測到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷海筎2由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使電池無法再對負載進行放電，起到過放電保護作用。而此時由于T2自帶的體二極管VD2的存在，充電器可以通過該二極管對電池進行充電。

3、過充電保護

鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過程，電壓會上升到4.2V(根據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V)，轉為恒壓充電，直至電流越來越小。

電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會繼續(xù)上升，當電池電壓被充電至超過4.3V時，電池的化學副反應將加劇，會導致電池損壞或出現(xiàn)安全問題。

在帶有保護電路的電池中，當控制IC檢測到電池電壓達到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“CO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷海筎1由導通轉為關斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護作用。而此時由于T1自帶的體二極管VD1的存在，電池可以通過該二極管對外部負載進行放電。

在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關斷T1信號之間，還有一段延時時間，該延時時間的長短由C2決定，通常設為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

4、過電流保護

由于鋰離子電池的化學特性，電池生產廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過2C（C=電池容量/小時），當電池超過2C電流放電時，將會導致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。

電池在對負載正常放電過程中，放電電流在經過串聯(lián)的2個MOSFET時，由于MOSFET的導通阻抗，會在其兩端產生一個電壓，該電壓值U=I*RDS*2, RDS為單個MOSFET導通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進行檢測，若負載因某種原因導致異常，使回路電流增大，當回路電流大到使U>0.1V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷海筎2由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護作用。

5、正常狀態(tài)

在正常狀態(tài)下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個MOSFET都處于導通狀態(tài)，電池可以自由地進行充電和放電，由于MOSFET的導通阻抗很小，通常小于30毫歐，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。

05

電池保護板的主要作用

1、電流保護：它主要體現(xiàn)在工作電流與過電流使開關MOS斷開從而保護電池組或負載。

2、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，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。

3、短路保護：短路的意思就是將電池的輸出端連接在一起，短路是一種非常危險的現(xiàn)象，很多時候電池冒煙、爆炸都是由短路引起的，如果電芯的容量比較大，放電比率也比較大的話，一根很粗的銅線，瞬間會燒沒有，可想而知有多么的危險，短路保護的原理就是當芯片檢測到用戶將P+P-或者意外連接起來的時候，會瞬間斷開電池的輸出端，從而達到保護的效果。

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來保護電池本身或負載。

5、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。

6、MOS保護：主要是MOS的電壓，電流與溫度。當然就是牽扯到MOS管的選型了。MOS的耐壓當然要超過電池組的電壓，這是必須的。

7、均衡：目前最通用的均衡方式分為兩種，一種就是耗能式的，另一種就是轉能式的。

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審核編輯 黃宇