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锂电池保护板知识培训锂电池保护板知识培训1一、电池各种封装结构简介保护板保护板电芯电芯电池框电池框PTCPTC铭牌铭牌负极绝缘支架负极绝缘支架1 1、框架系列：、框架系列：2电芯电芯负极绝缘支架负极绝缘支架保护板保护板电池框电池框铭牌铭牌方案优势：方案优势：该方案适用面广、外形灵活该方案适用面广、外形灵活多样，过程工艺相对简单；多样，过程工艺相对简单；方案不足：方案不足：不能最大限度的利用电池仓不能最大限度的利用电池仓空间；空间；3保护板保护板电芯电芯上盖上盖PTCPTC底壳底壳支架支架2 2、打胶系列：、打胶系列：4底壳打胶底壳打胶支架打胶支架打胶保护板点焊保护板点焊贴铭牌贴铭牌装配上盖装配上盖方案优势：方案优势：、电池空间利用率高，成品尺寸较小；、电池空间利用率高，成品尺寸较小；方案不足：方案不足：A A、因该方案公差易产生一定累积；而国产电芯尺寸的公差远大于进口、因该方案公差易产生一定累积；而国产电芯尺寸的公差远大于进口 电芯，该方案一般不适用使用国产电芯方案；电芯，该方案一般不适用使用国产电芯方案；5保护板保护板3 3、低压注塑系列：、低压注塑系列：6a a、低压注塑、低压注塑、打、打ABAB胶胶 c c、包铭牌、包铭牌 方案优势：方案优势：、采用、采用ABAB胶可保证下支架与电芯粘接的强度胶可保证下支架与电芯粘接的强度;、采用低压注塑，可有效解决电芯等原材料公差、组装过程的累积、采用低压注塑，可有效解决电芯等原材料公差、组装过程的累积 误差误差对成品对成品尺寸的影响，保证了成品尺寸精度。尺寸的影响，保证了成品尺寸精度。方案不足：方案不足：A A、ConnectorConnector一般使用金手指；一般使用金手指；B B、因进口电芯防爆阀一般在电芯前端，注塑过程需对电芯安全阀作特别、因进口电芯防爆阀一般在电芯前端，注塑过程需对电芯安全阀作特别保护。保护。7铭牌铭牌上盖上盖支架支架底壳底壳铝箔铝箔电芯电芯保护板保护板4 4、X-PACKX-PACK系列：系列：8方案优势：方案优势：该方案适用面广，过程工艺该方案适用面广，过程工艺自动化程度高；自动化程度高；适用范围：适用范围：适用与使用容量体积比相对适用与使用容量体积比相对较高的大容量聚合物电芯；较高的大容量聚合物电芯；组件加工组件加工机器包铝箔机器包铝箔热压热压包铭牌包铭牌93、锂电池的主要性能、锂电池的主要性能Battery pack指标：指标：v1、电池的容量：、电池的容量：使用者最容易感受到的一个指标，如待机时使用者最容易感受到的一个指标，如待机时间、间、通话时间。通话时间。v2、电池的内阻：、电池的内阻：内阻主要是由电芯、内阻主要是由电芯、MOSFET、PTC或或FUSE、镍带及导线组成。它反应的是动态电流在相关镍带及导线组成。它反应的是动态电流在相关内阻中的形成的导通压降。内阻中的形成的导通压降。10v3、电池的荷电保持能力：、电池的荷电保持能力：指电池自身放电的大小，自放电由两部份组成：指电池自身放电的大小，自放电由两部份组成：A.电电芯的自放电。芯的自放电。B.保护板（主要是保护保护板（主要是保护IC）的自放电。）的自放电。v4、电池的循环寿命：、电池的循环寿命：反映的是电芯的充放电循环次数，好的电芯的循环次反映的是电芯的充放电循环次数，好的电芯的循环次数应该要大于数应该要大于400次。次。v5、电池的安全性：、电池的安全性：是是Battery pack的安全性能。的安全性能。Battery pack的安全性要的安全性要从电芯、工艺设计和保护控制设计等几方面考虑。从电芯、工艺设计和保护控制设计等几方面考虑。v6、电池的功能性：、电池的功能性：除了除了pack必须的几个功能外，有的带电压调整、存储必须的几个功能外，有的带电压调整、存储数据、带充电电路、振动等。数据、带充电电路、振动等。11Battery pack参数：参数：1、充电方式：、充电方式：CC/CV 通常是先恒流，后恒压。所以在选用充电器时通常是先恒流，后恒压。所以在选用充电器时应特别注意。应特别注意。采用座式充电器对电池进行充电推荐采用采用座式充电器对电池进行充电推荐采用0.30.6C电流进行电流进行CC充电充电(保证了电池安全和控制电池保证了电池安全和控制电池的充电总时间的充电总时间)，CV恒压值定在恒压值定在4.164.24，避免，避免过充电对电池造成损伤；过充电对电池造成损伤；2、最大放电电流：、最大放电电流：1C3、最大充电电流：、最大充电电流：1C4、放电温度范围：、放电温度范围：-2060 12 5、充电温度范围：、充电温度范围：0 45 电芯通常在低于电芯通常在低于0时，内部的活性成分时，内部的活性成分很弱，内阻相对会变的比较大。充电的很弱，内阻相对会变的比较大。充电的效果是很差，因此不建议放在过低的温效果是很差，因此不建议放在过低的温度下充电。过高的温度下充电对电芯也度下充电。过高的温度下充电对电芯也是不利的。是不利的。6、最高充电电压：、最高充电电压：4.24V7、最低放电电压：、最低放电电压：2.75V13锂电池的使用电压特性：锂电池的使用电压特性：锂电池的电压过高或过低都会造成严重的问题，锂电池的电压过高或过低都会造成严重的问题，根据实际使用情况，划分几个区域，不同的电芯根据实际使用情况，划分几个区域，不同的电芯制造商虽然有所区别但区别不大：制造商虽然有所区别但区别不大：14Li-ion Battery Discharge Curve 放电曲线中，放电时间与放电电压并不是成线性关系，放电中放电曲线中，放电时间与放电电压并不是成线性关系，放电中3.5v-4.0v在整个放电曲在整个放电曲线中是占用时间最长的。小于线中是占用时间最长的。小于3.5v后放电的曲线就很陡了。后放电的曲线就很陡了。C-Rate:Capacity=1ChExample:Capacity=1000mAh 1C=1000mANon-Linearity15二、锂电池保护电路工作原理二、锂电池保护电路工作原理 由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应，该和过电流将会导致电池内部发生化学副反应，该副反应加剧后会严重影响电池的性能与使用寿命，副反应加剧后会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂离子电池后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。回路以防止对电池发生损害。16二、锂电池保护电路工作原理二、锂电池保护电路工作原理保护板的功能保护板的功能保护板常见的功能有：过充电保护、过放电保护、保护板常见的功能有：过充电保护、过放电保护、短路短路/过流保护、温度保护、充电电流过流保护、温度保护、充电电流/电压控制等电压控制等功能。功能。17保护板的主要元件保护板的主要元件主要元件主要元件主要功能主要功能IC命令的发出者，当命令的发出者，当IC检测到检测到过充过充、过放过放、过流过流、短路短路时会发出时会发出命令，让命令，让MOS关闭，从而切断整个回路关闭，从而切断整个回路MOS命令的执行者，当他接收到命令的执行者，当他接收到IC的命令时，会立刻断开回路。其的命令时，会立刻断开回路。其材料为半导体材料，因电位的改变其内部结构发生变化。材料为半导体材料，因电位的改变其内部结构发生变化。FUSE保险丝，与家用的保险丝工作原理相同，当电流过大时，会牺保险丝，与家用的保险丝工作原理相同，当电流过大时，会牺牲自己，保护整个回路。牲自己，保护整个回路。缺点缺点：不可恢复。：不可恢复。PTC一种高分子导体材料，当电流、温度过大时，其自身的电阻剧一种高分子导体材料，当电流、温度过大时，其自身的电阻剧增，使得回路阻塞；当电流、温度恢复时，其阻值会下降，恢增，使得回路阻塞；当电流、温度恢复时，其阻值会下降，恢复正常工作状态。复正常工作状态。缺点：缺点：内阻大。内阻大。温控开关温控开关原理同原理同PTC，目的在于检测某个元器件的温度，当温度过高时，目的在于检测某个元器件的温度，当温度过高时，会切断回路，起到保护元器件的作用。会切断回路，起到保护元器件的作用。运算管理电路运算管理电路主要控制电池的充放电电流，可以实现优化的充电方式，延长主要控制电池的充放电电流，可以实现优化的充电方式，延长电池的使用寿命，一般多用在多节电池组。电池的使用寿命，一般多用在多节电池组。1819二、锂电池保护电路工作原理二、锂电池保护电路工作原理锂电池保护的主要项目：锂电池保护的主要项目：v1、电池过充电保护、电池过充电保护v2、电池过放电保护、电池过放电保护v3、电池过电流保护与短路保护、电池过电流保护与短路保护v4、一级保护、一级保护IC失效后的二级失效后的二级PTC或或FUSE保护保护20保护ICID电阻电芯热敏电阻MOSFETPTC或FUSE*上图是典型的锂离子保护电路的原理图，在有些电池中上图是典型的锂离子保护电路的原理图，在有些电池中TH及及ID是没是没有的，有的，PTC及及FUSE是可选的，主要根据客户的要求选用。其它的器是可选的，主要根据客户的要求选用。其它的器件都是必须的。件都是必须的。21IC个引脚功能：个引脚功能：VDD是是IC电源正极，电源正极，VSS是电是电源负极，源负极，VM是过流是过流/短路检测端，短路检测端，Do是放电是放电保护执行端，保护执行端，Co是充电保护执行端。是充电保护执行端。22 1、过充电压保护原理在通常状态在通常状态MOSFET中的中的Q1、Q2是导通的。是导通的。从图中可看到从图中可看到Charger的电流从的电流从Battery pack的的+端进入，经过端进入，经过FUSE到电芯的正级然后从电芯的负级端输出，流经到电芯的正级然后从电芯的负级端输出，流经MOSFET的的Q1、Q2,最后从最后从Battery pack的的-端输出。在充电中，保护端输出。在充电中，保护IC（N1)时时时时监测第监测第5脚（脚（VDD）与第）与第6脚（脚（VSS）之间的端电压，端电压的值如果大等于过充电）之间的端电压，端电压的值如果大等于过充电电压且达到过充电压的延时时间，保护电压且达到过充电压的延时时间，保护IC则通过第则通过第3脚关闭脚关闭Q2，所以当，所以当Q2被关闭被关闭后，虽然后，虽然Q2有个体二极管，对于当前的电流流向是反向的，整个充电回路被切断，有个体二极管，对于当前的电流流向是反向的，整个充电回路被切断，这时只能放电。过充解除条件是（满足条件之一）：这时只能放电。过充解除条件是（满足条件之一）：a.电芯两端的电压下降到保护电芯两端的电压下降到保护IC的过充恢复电压。的过充恢复电压。b.在在pack的输出端加负载放电（放电到电压小于过充保护电压）的输出端加负载放电（放电到电压小于过充保护电压）。23 2、过放电压保护原理在正常状态下在正常状态下N2的的Q1、Q2是导通的。当在电池的输出端加负载时，电是导通的。当在电池的输出端加负载时，电流的流相正好与充电的流相是相反的。保护流的流相正好与充电的流相是相反的。保护IC（N1)时时监测第时时监测第5脚脚（VDD）与第）与第6脚（脚（VSS）之间的端电压，端电压的值如果小等于过放电）之间的端电压，端电压的值如果小等于过放电电压且达到过放电压的延时时间，保护电压且达到过放电压的延时时间，保护IC则通过第则通过第1脚关闭脚关闭Q1，所以当，所以当Q1被关闭后，虽然被关闭后，虽然Q1有个体二极管，对于当前的电流流向是反向的，整个放有个体二极管，对于当前的电流流向是反向的，整个放电回路被切断，这时只能充电。过放电解除方法是：去除负载，在电回路被切断，这时只能充电。过放电解除方法是：去除负载，在pack的的正负端加正相充电电压，当正负端加正相充电电压，当VDDVSS间的电压达到过放恢复电压值时，间的电压达到过放恢复电压值时，N1的的DO端会送出高电平重新开通端会送出高电平重新开通Q1。24 3、过电流保护原理过电流保护指的是过放电流的保护，通常的保护过电流保护指的是过放电流的保护，通常的保护IC至少有两至少有两重过电流保护，过电流重过电流保护，过电流1及短路保护，保护及短路保护，保护IC检测的是检测的是VSSVM端的电压值，当电压值达到过电流端的电压值，当电压值达到过电流1或短路保护的阀值且或短路保护的阀值且达到相对的延时时间时，保护达到相对的延时时间时，保护IC将将DO端断开关闭端断开关闭Q1,使得放使得放电回路切断。过电流解除的条件是电回路切断。过电流解除的条件是pack的输出端的负载去除，的输出端的负载去除，保护保护IC会自动将会自动将DO脚置为高电平导通脚置为高电平导通Q1。25 过电流过电流1的电压值一般是的电压值一般是0.1V-0.3V之间，根据不之间，根据不同的保护同的保护IC有不同的值，短路检测的电压值通常有不同的值，短路检测的电压值通常是是0.9V2V，这也是根据保护，这也是根据保护IC的不同而不同。的不同而不同。这个电压值是指通过电流流经这个电压值是指通过电流流经MOSFET Q1,Q2后在后在上面得到的导通压降。所以过电流保护的大小与上面得到的导通压降。所以过电流保护的大小与选用的选用的MOSFET的导通电阻是有密切关系的。的导通电阻是有密切关系的。MOSFET的导通电阻越大反映出的保护电流值就的导通电阻越大反映出的保护电流值就越小。如：内阻为越小。如：内阻为20m的的MOSFET，选用的过电，选用的过电流流1的值为的值为0.15v的保护的保护IC，那过电流，那过电流1的保护电流的保护电流应为：应为：0.15v/0.02*2=3.75A。26以下列举一个精工的保护以下列举一个精工的保护ICIC参数：参数：（如（如S-8261ABRMD)S-8261ABRMD)主要保护参数：主要保护参数：1 1、过充电保护电压：、过充电保护电压：4.275V4.275V2 2、过充电保护恢复电压：、过充电保护恢复电压：4.075V4.075V3 3、过放电保护电压：、过放电保护电压：2.5V2.5V4 4、过放电保护恢复电压：、过放电保护恢复电压：2.9V2.9V5 5、过电流、过电流1 1检测电压保护值：检测电压保护值：0.15V0.15V6 6、短路保护电压：、短路保护电压：1.2V1.2V*建议不采用过充电保护电压超过建议不采用过充电保护电压超过4.325V4.325V的保护值。的保护值。过高的电压安全性不好。过高的电压安全性不好。274其他保护功能其他保护功能FUSE：当保护板的当保护板的IC、MOS由于静电或是其他因素而失效，由于静电或是其他因素而失效，FUSE则起到则起到了至关重要的作用，在电池短路或者是过流情况下，了至关重要的作用，在电池短路或者是过流情况下，FUSE挺身而出，挺身而出，靠熔断自己来切断整个回路，彻底进行保护，但由于进行得太彻底，靠熔断自己来切断整个回路，彻底进行保护，但由于进行得太彻底，无法进行自恢复，从而报废了整个电池，只有重新更换新的保护板。无法进行自恢复，从而报废了整个电池，只有重新更换新的保护板。另外，如果设计失误，很可能造成另外，如果设计失误，很可能造成FUSE比比IC提前动作，过早的切断回提前动作，过早的切断回路。路。优点优点：内阻、体积小：内阻、体积小 缺点缺点：无法自恢复；熔断时间控制难：无法自恢复；熔断时间控制难PTC：PTC的主要特性就是可以自恢复，当回路电流过大、温度过高，其的主要特性就是可以自恢复，当回路电流过大、温度过高，其阻值剧增，甚至绝缘。当这些异常因素撤销的时候，自身会自动恢复，阻值剧增，甚至绝缘。当这些异常因素撤销的时候，自身会自动恢复，将阻值减小，恢复到正常工作状态。将阻值减小，恢复到正常工作状态。优点优点：可自行恢复，减少返修：可自行恢复，减少返修 缺点缺点：内阻、体积大：内阻、体积大 温度保护温度保护：原理同：原理同PTC28NTC（T端口）的作用：端口）的作用：当电池工作时，没有发生过充、过当电池工作时，没有发生过充、过放或过流、短路等情况，而是由于工作时间太长，导致电芯放或过流、短路等情况，而是由于工作时间太长，导致电芯温度上升很快。而温度上升很快。而NTC电阻紧贴电芯监测电芯温度，随着温电阻紧贴电芯监测电芯温度，随着温度上升度上升NTC阻值逐渐下降，用电器阻值逐渐下降，用电器CPU发现了这个变化，当发现了这个变化，当阻值下降到阻值下降到CPU设定值时，设定值时，CPU即发出关机指令，让电池停即发出关机指令，让电池停止对其供电，只维持很小的待机电流，达到保护电池的目的。止对其供电，只维持很小的待机电流，达到保护电池的目的。29谢谢大家！30