动力电池保护板讨论与分析

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.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。以下论述。
   　　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。
   　　温度，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?同时它的温度高得惊人，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。
   　　静电，我个人设计保护板时，从来不用小功率的MOS管，哪怕一颗都不用。因为本人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?
   　　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。微弱直观的就小分析到这，分析太多怕不知所云。
   　　均衡总结 本人有这么一个定论：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。个人认为，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。