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动力电池保 护板设计讨论与分析

责任编辑:天威赛利机电  发布时间:2015-11-05
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动力电池保
护板设计讨论与分析

    由于近几年 的动力锂电池的飞速发展,无论是生产 工艺还是材料技术改进上,或价格的优势,都有相当大的突破,因此它也为 多并多串打下坚实的基础。替代铅酸电 池的时代越来越近。无论电动自 行车还是后备电源,它的市场占 有率自然也开始疯狂扩大,这是不可否认的事实。那么,为了电池的 安全与寿命,锂电池的有 效保护自然也少不了,此时保护板 在电池包内也是一个非常核心的部件之一。

    理论上来讲,动力多串电 池保护板已经没有太多的电子技术含量了,比如电路与软件处理,有太多的选择。其主要是把 保护部分如何做到稳定,可靠,更安全,更实用,当然价格也 是其中之一。想要真正的 想把它做好,那是一件非 常复杂细心而又漫长的轮回工作。如果要按经 验与技术值的占比比值的话,技术只占20% 。经验要占到80% 。做好动力电 池保护板没有个三五年的经验,还是有困难的。当然做好与 能做是两回事。为什么会有 这样的结论呢?这是有依据的。说实话,保护板的方 案电路并不复杂,只要在电池 电子行业工作了一两年,设计个电路 与抄袭人家一个电路不是什么难事。比如:多串动力电 池他主要是高电压,大电流,高内阻工作(微电流),电池包工作 环境的考量等等,这都牵扯到 多年的电子专业综合经验。大到要对整个PACK的了解,小到一个电阻,电容或晶体管的选型,或是布板时 的注意细节。总的一句话,保护板主要是稳定,可靠,安全的保护电池组,保证电池组 的正常安全使用或使用得更久,其它添加的 特有技术与功能,都是浮云。下面我们来讨论一下。)  动力电池保护板,顾名思义,它是用来保 护电池不让损坏与延长电池的使用寿命。而且它只在 电池出现极端问题的情况下作出最稳定最有效的保护防止出现意外。平时不应该动作,当然,监视工作是必须要的,就像我们的 家用电器中的保险丝或保险开关一样。这是本文讨 论分析的宗旨。


保护项目及注意事项

    1.电压保护:过充,过放,这要根据电 池的材料不同而有所改变,这点看似简单,但要细节上来看,还是有经验学问的。

    过充保护,在我们以往 的单节电池保护电压都会高出电池充饱电压50~150mV。但是动力电池不一样,如果你要想 延长电池寿命,你的保护电 压就选择电池的充饱电压,甚至还要比 此电压还低些。比如锰锂电池,可以选择4.18V~4.2V。因为它是多串数的,整个电池组 的寿命容量主要是以容量最低的那颗电池以准,小容的总是 在大电流高电压工作,所以衰减加快。而大容量每 次都是轻充轻放,自然衰减要慢得多了。为了让小容 量的电池也是轻充轻放,所以过充保 护电压点不要选择太高。这个保护延 时可以做到1S,防止脉冲的 影响从而保护。

    过放保护,也是与电池 的材料有关,如锰锂电池 一般选择在2.8V~3.0V。尽量要比它 单颗电池过放的电压稍高点。因为,在国内生产的电池,电池电压低于3.3V后,各颗电池的 放电特性完全不一,因此是提前保护电池,这样对电池 的寿命是一个很好的保护。

    总的一点就 是尽量让每一颗电池都工作在轻充轻放下工作,一定是对电 池的寿命是一个帮助。

    过放保护延滞时间,它要根据负 载的不同而有所改变,比如电动工具类的,他的启动电 流一般都在10C以上,因此会在短 时间内把电池的电压拉到过放电压点从而保护。此时无法让电池工作。这是值得注意的地方。


    2.电流保护:它主要体现 在工作电流与过电流使开关MOS断开从而保 护电池组或负载。

    MOS管的损坏主 要是温度急剧升高,它的发热也 是电流的大小及 本身的内阻来决定的,当然小电流,对MOS没什么影响,但是大电流呢,这个就要好 好做些处理了, 在通过额定电流时,小电流10A以下,我们可以直 接用电压来驱动MOS管。大电流,一定是要加驱动,给MOS足够大的驱动电流。以下在MOS管驱动有讲到

    工作电流,在设计的时候,MOS管上不能存在超过0.3W的功率。计算工式:I2*R/N。R为MOS的内阻,N为MOS的数量。如果功率超过,MOS会产生25度以上的温升,又因它们都是密封的,就算有散热片,长时间工作时,温度还是会上去,因为他没地方可散热。当然MOS管是没任何问题,问题是他产 生热量会影响到电池,毕竟保护板 是与电池放在一起的。

    过流保护(最大电流),此项是保护 板必不可少的,非常关键的 一个保护参数。保护电流的大小与MOS的功率息息相关,因此在设计时,要尽量给出MOS能力的余量。在布板的时候,电流检测点 一定要选好位置,不能只接通就行,这需要经验值。一般建议接 在检测电阻的中间端。还要注意电 流检测端的干扰问题,因为它的信 号很容易受到干扰。

    过流保护延时,它也是要根 不同的产品做相应的调整。在此不多说了。


    3.短路保护:严格来讲,他是一个电 压比较型的保护,也就是讲是 用电压的比较直接关断或驱动的,不要经过多余的处理。

    短路延时的 设置也很关键,因为在我们的产品中,输入滤波电 容都是很大的,在接触时第 一时间给电容充电,此时就相当 于电池短路来给电容充电。


    4.温度保护:一般在智能 电池上都会用到,也是不可少的。但往往它的 完美总会带来另一方面的不足。我们主要是 检测电池的温度来断开总开关来保护电池本身或负载。如果是在一 个恒定的环境条件下,当然不会有什么问题。由于电池的 工作环境是我们不可控的,太多太复杂的变化,因此不好选择。如在北方的冬天,我们定在多少合适?又如夏天的南方地区,又定多少合适?显然范围太 宽不可控的因素太多,仁者见仁,智者见智的去选择了。


    5.MOS保护:主要是MOS的电压,电流与温度。当然就是牵扯到MOS管的选型了。MOS的耐压当然 要超过电池组的电压,这是必须的。电流讲的是 在通过额定电流时MOS管体上的温 升了一般不超过25度的温升,个人经验值,只供参考。

    MOS的驱动,也许会有的人会讲,我有用低内 阻大电流的MOS管,但为何还有 蛮高的温度?这是MOS管的驱动部 分没有做好,驱动MOS要有足够大的电流,具体多大的驱动电流,要根据功率MOS管的输入电容来定。因此,一般的过流 与短路驱动都不能用芯片直接驱动,一定要外加。在大电流(超过50A)工作时,一定要做到 多级多路驱动,才能保证MOS的同一时间 同一电流正常打开与关闭。因为MOS管有一个输入电容,MOS管功率,电流越大,输入电容也就越大,如果没有足够的电流,不会在短时 间做出完整的控制。尤其是电流超过50A时,电流设计上更要细化,一定要做到 多级多路驱动控制。这样才能保证MOS的正常过流 与短路保护。

    MOS电流平衡,主要讲的是多颗MOS并起来用时,要让每一颗MOS管通过的电流,打开与关闭 时间都是一致的。这就要在画 板方面入手了,它们的输入 输出一定要对称,一定要保证 每一个管子通过的电流是一致这才是目的。


    6.自耗电量, 这个参数是越小越好,最理想的状态是为零,但不可能做到这一点。就是因为人 人都想把这个参数做小,有很多人的要求更低,甚至离谱,我们想想,保护板上有芯片,它们是要工作的,可以做到很低,但是可靠性呢?应该是在性 能可靠完全OK的情况下再 来考量自耗电的问题。有些朋友也 许进入了误区,自耗电分为 整体的自耗电和每一串的自耗电。

    整体自耗电,如果在100~500uA都是没什么问题的,因为动力电 池的容量本身就很大。当然电动工 具的另外分析。如5AH的电池,放电500uA,要放多久,因此对整个 电池组来讲是很微弱的。

    每串自耗电 才最关键的,这个也不可能为零,当然也是在 性能完全可行情况下进行,但有一点,每一串的自 耗电量一定要一致,一般每一串 的差别不能超过5uA。这点大家应该知道,如果每一串 的自耗电不一时,那么在长时间搁置下,电池的容量 一定会产生变化的。


    7.静电,设计保护板时,不能用小功率的MOS管,哪怕一颗都不能用。因为很多前 辈在这一块吃过太多的亏了。就是MOS管的静电问题。先不说小MOS在工作的环境,就说在生产加工PCBA贴片时,如果车间的湿度低于60%,小MOS生产出来的 不良率都会超过10%以上,然后再湿度调到80%。小MOS的不良率为零。可以试试。这要表明一 个什么问题呢?如果我们的 产品在北方的冬天,小MOS是否能通过,这需要时间来验证的。再有,MOS管的损坏只有短路,如果短路那可想而知,就意味着这 组电池马上要损坏。更何况我们 的均衡上的小MOS用得还不少呢。这时有人会恍然,难怪退回来的货,都是因为均 衡坏掉而引起单体电池损坏,而且都是MOS坏掉了。这时电芯厂 与保护板厂开始扯皮了。是谁的错呢?


    8.均衡:均衡这一块 是此文章的论述的重点。目前最通用 的均衡方式分为两种,一种就是耗能式的,另一种就是转能式的。


    A耗能式均衡,主要是把多 串电池中某节电池的电量或电压高的用电阻把多余的电能损耗掉。它也分如下三种。

    一,充电时时均衡,它主要是在 充电时任何一颗电池的电压高出所有电池平均电压时,它就启动均衡,无论电池的 电压在什么范围,它主要是应 用在智能软件方案上。当然如何定 义可以由软件任意调整。此方案的优 点它能有更多的时间去做电池的电压均衡。

    二,电压定点均衡,就是把均衡 启动定在一个电压点上,如锰锂电池,很多就定在4.2V开始均衡。这种方式只 是在电池充电的末端进行,所以均衡时间较短,用处可想而知。

    三,静态自动均衡,它也可以在 充电的过程中进行,也可以在放电时进行,更有特点的是,电池在静态搁置时,如果电压不一致时,它也在均衡着,直到电池的 电压达到一致。但有人认为,电池都没工作了,为什么保护 板还是在发热呢?

    以上三种方 式都以是参考电压来实现均衡的。但是,电池电压高 不一定代表容量就高,也许截然相反。

    其优点就是成本低,设计简单,在电池电压 不一致时能起到一定的作用,主要体现在 电池长时间搁置自耗引起的电压不一致。理论上是有 微弱的可行性。

    缺点,电路复杂,元件多,温度高,防静电差,故障率高。

    具体探讨如下。当新单体电 池分容分压分内阻过后组成PACK,总会有各别 的单体容量偏低,而往往容量 最低的那颗单体,在充电的过 程中电压一定是上升最快的,也是它最先 到达启动均衡电压的,此时,大容量的单 体还没达到电压点而没有启动均衡,小容量的确 开始均衡了,这样每一次 的循环工作,这颗小容量 的单体一直处于饱充饱放的状态下工作,而它也是衰老最快的,同时内阻自 然也会慢慢的比其它的单体增高,从而形成一 个恶性循环。这是一个极大的弊端。

    元件越多,故障率自然就高了。

    可想而知,耗能式的,是想把所谓 多余的电量用电阻以发热的形式来耗掉多余的电能,它确成了名 副其实发热源。而高温对电 芯本身来讲是非常致命的一个相当因素,它可能会让电池燃烧,也可能会引 起电池爆炸。本来我们是 在想尽一切办法去减少整个电池包的温度产生,而耗能均衡呢?它的温度高得惊人,大家可以去测试一下,当然是在全 封闭的环境下。总的来说,它是一个发热体,热是电池的致命天敌。

    B能量转移式均衡,它是让大容 量的电池以储能的方式转移到小容量的电池,听起来感觉 很智能很实用。它也分容量 时时均衡与容量定点均衡。它是以检测 电池的容量来做均衡的,但是好像没 考虑到电池的电压。可以想想,以10AH的电池组为例,假如电池组 中有一颗容量在10.1AH,一颗容量小点的在9.8AH,充电电流为2A,能量均衡电流为0.5A。这时10.1AH的要给小容量9.8AH的转能充电,而9.8AH的电池充电电流就是2A+0.5A=2.5A,这时9.8AH电池的充电电流就是2.5A,这时9.8AH的容量是补进去了,可是9.8AH电池的电压 会是多少呢?显然会比其 它电池的上升得更快,如果到了充电末端,9.8AH的一定会大 大提前过充保护,在每一次的 充放电循环,小容量电池 一直处在深充深放的状态。而其它电池 是否有充饱,不确定因素太多。微弱直观的 就分析到这,分析太多怕不知所云。

    均衡总结,有这么一个定论:如果坚持要 用到均衡功能的人,我可以断定 此人没有大批量生产动力电池保护板或PACK的经验。如果有大批量生产过,他一定会在 均衡上吃不少的亏。经验表明,均衡利用保 护板来实现,有点滑稽。因为保护板 就是保护的,它只做电池 在最极端的时候起到有效的保护作用,它没有能力 去把电池的性能提高,保护板只是 一个被动部分,难道家里的 保护丝或保护开关能提高家里的电量?当然不可能。它只起到保护作用。

    电芯才是主动器件,我们要提高 的是电芯上的性能与技术,主要是一致性。再说均衡做 在保护板上,不管是从理 论上还是实际应用中,它有弊有利,但在理论上,均衡有一定的作用,但用处多大,显然可见。为何?因为充电一般都是在2~10A的电流,而均衡我们 最多只能做到200mA。这个差别太多,同时有些均 衡方案是在充电电压的末端启动,更显得于事无补啊。而它有弊端的一面,太多太多。

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