動力電池保護(hù)板討論與分析

由于近幾年的動力鋰電池的飛速發(fā)展，無論是生產(chǎn)工藝還是材料技術(shù)改進(jìn)上，或價(jià)格的優(yōu)勢，都有相當(dāng)大的突破，因此它也為多并多串打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。替代鉛酸電池的時(shí)代越來越近。無論電動自行車還是后備電源，它的市場占有率自然也開始瘋狂擴(kuò)大，這是不可否認(rèn)的事實(shí)。那么，為了電池的安全與壽命，鋰電池的有效保護(hù)自然也少不了，此時(shí)保護(hù)板在電池包內(nèi)也是一個(gè)非常核心的部件之一。

　　理論上來講，動力多串電池保護(hù)板已經(jīng)沒有太多的電子技術(shù)含量了，比如電路與軟件處理，有太多的選擇。其主要是把保護(hù)部分如何做到穩(wěn)定，可靠，更安全，更實(shí)用，當(dāng)然價(jià)格也是其中之一。想要真正的想把它做好，那是一件非常復(fù)雜細(xì)心而又漫長的輪回工作。如果要按經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)值的占比比值的話，技術(shù)只占20% 。經(jīng)驗(yàn)要占到80% 。做好動力電池保護(hù)板沒有個(gè)三五年的經(jīng)驗(yàn)，還是有困難的。當(dāng)然做好與能做是兩回事。為什么會有這樣的結(jié)論呢?這是有依據(jù)的。說實(shí)話，保護(hù)板的方案電路并不復(fù)雜，只要在電池電子行業(yè)工作了一兩年，設(shè)計(jì)個(gè)電路與抄襲人家一個(gè)電路不是什么難事。比如：多串動力電池他主要是高電壓，大電流，高內(nèi)阻工作(微電流)，電池包工作環(huán)境的考量等等，這都牽扯到多年的電子專業(yè)綜合經(jīng)驗(yàn)。大到要對整個(gè)PACK的了解，小到一個(gè)電阻,電容或晶體管的選型,或是布板時(shí)的注意細(xì)節(jié)?？偟囊痪湓?，保護(hù)板主要是穩(wěn)定，可靠，安全的保護(hù)電池組，保證電池組的正常安全使用或使用得更久，其它添加的特有技術(shù)與功能，都是浮云。下面我們來討論一下。

　　動力電池保護(hù)板，顧名思義，它是用來保護(hù)電池不讓損壞與延長電池的使用壽命。而且它只在電池出現(xiàn)極端問題的情況下作出最穩(wěn)定最有效的保護(hù)防止出現(xiàn)意外。平時(shí)不應(yīng)該動作，當(dāng)然，監(jiān)視工作是必須要的，就像我們的家用電器中的保險(xiǎn)絲或保險(xiǎn)開關(guān)一樣。這是本文討論分析的宗旨。

　　保護(hù)項(xiàng)目及注意事項(xiàng)

　　1.電壓保護(hù)：過充，過放，這要根據(jù)電池的材料不同而有所改變，這點(diǎn)看似簡單，但要細(xì)節(jié)上來看，還是有經(jīng)驗(yàn)學(xué)問的。

　　過充保護(hù)，在我們以往的單節(jié)電池保護(hù)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(hù)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?yàn)樗嵌啻當(dāng)?shù)的，整個(gè)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(hù)電壓點(diǎn)不要選擇太高。這個(gè)保護(hù)延時(shí)可以做到1S,防止脈沖的影響從而保護(hù)。

　　過放保護(hù)，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(diǎn)。因?yàn)?，在國?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(hù)電池，這樣對電池的壽命是一個(gè)很好的保護(hù)。

　　總的一點(diǎn)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(gè)幫助。

　　過放保護(hù)延滯時(shí)間，它要根據(jù)負(fù)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(shí)間內(nèi)把電池的電壓拉到過放電壓點(diǎn)從而保護(hù)。此時(shí)無法讓電池工作。這是值得注意的地方。

2.電流保護(hù)：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(hù)電池組或負(fù)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(gè)就要好好做些處理了， 在通過額定電流時(shí)，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(jì)的時(shí)候，MOS管上不能存在超過0.3W的功率。計(jì)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(shí)間工作時(shí)，溫度還是會上去，因?yàn)樗麤]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(hù)板是與電池放在一起的。

　　過流保護(hù)(最大電流)，此項(xiàng)是保護(hù)板必不可少的，非常關(guān)鍵的一個(gè)保護(hù)參數(shù)。保護(hù)電流的大小與MOS的功率息息相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量給出MOS能力的余量。在布板的時(shí)候，電流檢測點(diǎn)一定要選好位置，不能只接通就行，這需要經(jīng)驗(yàn)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?yàn)樗男盘柡苋菀资艿礁蓴_。

　　過流保護(hù)延時(shí)，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(hù)：嚴(yán)格來講，他是一個(gè)電壓比較型的保護(hù)，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(shí)的設(shè)置也很關(guān)鍵，因?yàn)樵谖覀兊漠a(chǎn)品中，輸入濾波電容都是很大的，在接觸時(shí)第一時(shí)間給電容充電，此時(shí)就相當(dāng)于電池短路來給電容充電。

　　4.溫度保護(hù)：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(hù)電池本身或負(fù)載。如果是在一個(gè)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(hù)：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(shí)MOS管體上的溫升了一般不超過25度的溫升，個(gè)人經(jīng)驗(yàn)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(shí)，一定要做到多級多路驅(qū)動，才能保證MOS的同一時(shí)間同一電流正常打開與關(guān)閉。因?yàn)镸OS管有一個(gè)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(shí)間做出完整的控制。尤其是電流超過50A時(shí)，電流設(shè)計(jì)上更要細(xì)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(hù)。

　　MOS電流平衡，主要講的是多顆MOS并起來用時(shí)，要讓每一顆MOS管通過的電流，打開與關(guān)閉時(shí)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(gè)管子通過的電流是一致這才是目的。

　　6.自耗電量, 這個(gè)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(diǎn)。就是因?yàn)槿巳硕枷氚堰@個(gè)參數(shù)做小，有很多人的要求更低，甚至離譜，我們想想，保護(hù)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(jìn)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?yàn)閯恿﹄姵氐娜萘勘旧砭秃艽?。?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(gè)電池組來講是很微弱的。

　　每串自耗電才最關(guān)鍵的，這個(gè)也不可能為零，當(dāng)然也是在性能完全可行情況下進(jìn)行，但有一點(diǎn)，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(diǎn)大家應(yīng)該知道，如果每一串的自耗電不一時(shí)，那么在長時(shí)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(diǎn)。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(shí)時(shí)均衡，它主要是在充電時(shí)任何一顆電池的電壓高出所有電池平均電壓時(shí)，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(diǎn)它能有更多的時(shí)間去做電池的電壓均衡。

　　二，電壓定點(diǎn)均衡，就是把均衡啟動定在一個(gè)電壓點(diǎn)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(jìn)行，所以均衡時(shí)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(jìn)行，也可以在放電時(shí)進(jìn)行，更有特點(diǎn)的是，電池在靜態(tài)擱置時(shí)，如果電壓不一致時(shí)，它也在均衡著，直到電池的電壓達(dá)到一致。但有人認(rèn)為，電池都沒工作了，為什么保護(hù)板還是在發(fā)熱呢?

　　以上三種方式都以是參考電壓來實(shí)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(diǎn)就是成本低，設(shè)計(jì)簡單，在電池電壓不一致時(shí)能起到一定的作用，主要體現(xiàn)在電池長時(shí)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(diǎn)，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(dá)啟動均衡電壓的，此時(shí)，大容量的單體還沒達(dá)到電壓點(diǎn)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(shí)內(nèi)阻自然也會慢慢的比其它的單體增高，從而形成一個(gè)惡性循環(huán)。這是一個(gè)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(shí)發(fā)熱源。而高溫對電芯本身來講是非常致命的一個(gè)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(gè)電池包的溫度產(chǎn)生，而耗能均衡呢?同時(shí)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?？偟膩碚f，它是一個(gè)發(fā)熱體，熱是電池的致命天敵。

　　靜電，我個(gè)人設(shè)計(jì)保護(hù)板時(shí)，從來不用小功率的MOS管，哪怕一顆都不用。因?yàn)楸救嗽谶@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(shí)，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(gè)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(shí)間來驗(yàn)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(shí)有人會恍然，難怪退回來的貨，都是因?yàn)榫鈮牡舳饐误w電池?fù)p壞，而且都是MOS壞掉了。這時(shí)電芯廠與保護(hù)板廠開始扯皮了。是誰的錯(cuò)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(shí)用。它也分容量時(shí)時(shí)均衡與容量定點(diǎn)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?？梢韵胂?，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(diǎn)的在9.8AH，充電電流為2A，能量均衡電流為0.5A。這時(shí)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(shí)9.8AH電池的充電電流就是2.5A，這時(shí)9.8AH的容量是補(bǔ)進(jìn)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(hù)，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(gè)定論：如果堅(jiān)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(hù)板或PACK的經(jīng)驗(yàn)。如果有大批量生產(chǎn)過，他一定會在均衡上吃不少的虧。個(gè)人認(rèn)為，均衡利用保護(hù)板來實(shí)現(xiàn)，有點(diǎn)滑稽。因?yàn)楸Ｗo(hù)板就是保護(hù)的，它只做電池在最極端的時(shí)候起到有效的保護(hù)作用，它沒有能力去把電池的性能提高，保護(hù)板只是一個(gè)被動部分，難道家里的保護(hù)絲或保護(hù)開關(guān)能提高家里的電量?當(dāng)然不可能。它只起到保護(hù)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(hù)板上，不管是從理論上還是實(shí)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?yàn)槌潆娨话愣际窃?~10A的電流，而均衡我們最多只能做到200mA。這個(gè)差別太多，同時(shí)有些均衡方案是在充電電壓的末端啟動，更顯得于事無補(bǔ)啊。而它有弊端的一面，太多太多。