摘要：本文在簡介了鋰動力電池保護板構(gòu)成的基礎上，重點論述了鋰動力電池保護板的過充、過放、過流、短路、溫度保護功能，講解了鋰動力電池保護板接線順序及同口保護板接線步驟。

1.鋰動力電池保護板構(gòu)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(gòu)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(chǎn)日期等信息，可起到產(chǎn)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(chǎn)品內(nèi)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(chǎn)品內(nèi)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(zhì)也是鋰動力電池包性能和品質(zhì)的一個重要因數(shù)。

2.鋰動力電池保護板功能

鋰動力電池的保護由電子電路組成，在-40℃～+85℃的環(huán)境下時刻準確的監(jiān)視電芯的電壓、充放回路的電流及電芯溫度，即時控制電流回路的通斷。針對單一電芯保護的保護板設計會相對簡單，而針對鋰動力電池包保護的保護板設計，按照不同的需要，其設計復雜程度各不相同。

在鋰動力電池包保護板設計中需要考慮的因素較多，如電壓平臺問題，鋰動力電池包在使用中往往被要求很大的平臺電壓，所以設計鋰動力電池包保護板時盡量使保護板不影響電芯的放電電壓，這樣對控制IC、采樣電阻等元件的要求就會很高，電流采樣電阻應滿足高精密度，低溫度系數(shù)，無感等要求。鋰電池保護板的電路如圖1所示，在圖1中，B＋、B-分別是接電芯的正、負極；P＋、P-分別是保護板輸出的正、負極；T為溫度電阻（NTC）端口。鋰電池保護板的主要功能有過充保護、過放保護、過流保護、短路保護、溫度保護。

（1）過充保護

鋰動力電池包過充保護的定義：當鋰動力電池包某一串電壓大于（過壓）最大值時，且達到保護延遲時間，IC控制Q2關斷充電回路。場效應管Q1、Q2可等效為兩只開關，當Q1或Q2的G極電壓大于1V時，開關管導通。導通開關管的D、S間內(nèi)阻很小（數(shù)十毫歐姆），相當于開關閉合；當G極電壓小于0.7V時，開關管截止，截止的開關管的D、S極間的內(nèi)阻很大（幾兆歐姆），相當于開關斷開。

在鋰動力電池包充電時，當鋰動力電池包通過充電器正常充電時，隨著充電時間的增加，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當電芯電壓升高到4.4V（通常稱為過充保護電壓）時，控制IC將判斷電芯已處于過充電狀態(tài)，控制IC將使Q2截止，此時電芯的B一極與保護電路的P-端之間處于斷開狀態(tài)并保持，即電芯的充電回路被切斷，停止充電。

當保護電路的P＋與P-端接上放電負載后，因此時雖然過充電控制開關管Q2截止，但其內(nèi)部的二極管正方向與放電回路的電流方向相同，所以仍可對負載放電。當電芯兩端電壓低于4.3V（通常稱為過充保護恢復電壓）時，控制IC將Q2退出過充電保護狀態(tài)，即Q2導通，即電芯的B-端與保護電路P-端又重新接上，電芯又能進行正常的充電。

（2）過放保護

鋰動力電池包過放保護的定義：當鋰動力電池包某一串電壓小于（欠壓）最大值時，且達到保護延遲，IC控制Q1關斷放電回路。

當電芯通過外接的負載進行放電時，鋰動力電池包兩端的電壓將慢慢降低，同時控制IC內(nèi)部將通過電阻R1實時監(jiān)測鋰動力電池包電壓，當單體電芯電壓下降到2.3V（通常稱為過放保護電壓）時，控制IC認為單體電芯已處于過放電狀態(tài)，控制IC將使Q1截止，此時電芯的B-與P-之間處于斷開狀態(tài)，即鋰動力電池包的放電回路被切斷，電芯將停止放電。

保護板處于過放電狀態(tài)并一直保持到保護板的P+與P-間電壓上升到IC的門限電壓（一般為3.1V，通常稱為過放保護恢復電壓），控制IC將使Q1再次導通。即鋰動力電池包的B-與保護板的P-又重新接上，鋰動力電池包經(jīng)充電器直接充電。

（3）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(chǎn)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)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?qū)е庐惓＃够芈冯娏髟龃螅敾芈冯娏鞔蟮绞筓》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(zhuǎn)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。

（4）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(chǎn)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。

（5）溫度保護

鋰動力電池包溫度保護定義：當鋰動力電池包的溫度達到溫度閾值時，且達到保護延遲，控制電路控制關斷充放電開關管，停止充放電。溫度保護比較簡單，溫度保護值有上限也有下限，甚至在細分還可以分為充電時的溫度保護以及放電時的溫度保護，需根據(jù)實際需要設計。

在設計時需要注意的是，在實際的測試中發(fā)現(xiàn)，溫度是一個比較容易抖動的值（這和選用的傳感器有關，比如使用熱敏電阻），所以在判斷的時候保護值和恢復值一定要做出一個合理的區(qū)間，不然系統(tǒng)會不穩(wěn)定。

保護板上的T端口為過溫保護端，常見的過溫保護電路是在T端與P-端接一只NTC電阻（見圖1中的R3），該電阻緊貼電芯安裝。當用鋰動力電池包長時間處于大功率工作狀態(tài)時，鋰動力電池包溫度會上升，則NTC阻值會逐漸下降，鋰動力電池包保護板的控制IC對NTC阻值進行檢測，當阻值下降到設定閾值時，控制IC立即發(fā)出關斷充放電開關管指令，從而達到保護鋰動力電池包的目的。

3.鋰動力電池保護板接線

鋰動力電池保護板分正極板和負極板，負極板分為負極同口板、負極分口板，其功能都是一樣的，不支持通過軟件來修改正、負極保護板的設置，所以只能按照保護板接線圖來確定保護方式。

（1）負極板分口接線

負極板分口接線如圖2所示，負極板分口接線順序見表1。

（2）負極板同口接線

負極板同口接線如圖3所示，負極板分口接線順序見表2。

（3）正極板同口接線

正極板同口接線如圖4所示，正極板分口接線順序見表3。

（4）同口保護板接線步驟

因不同廠家的鋰動力電池包保護板的排線是不通用，在接線時應確保使用配套排線，同口保護板接線步驟如下：

1）在接排線之前，不要把排線插入保護板。

2）將保護板B-線（藍色粗線）接到動力電池總負極端。

3）排線的第1根細黑線接B-，第2根線（細紅線）連接第1串電池正極，后面依次連接每一串電池的正極，直到最后一串B+。

4）排線接好后，測量插頭背面每兩個相鄰金屬端子間的電壓，如果是三元聚合物電池電壓應該在2.8～4.2V之間，鐵鋰電池應該在2.5～3.65V之間，鈦酸鋰電池應該在1.6～2.8V之間。

5）檢測電壓無誤后，將保護板插入保護板插座。

6）測量電池B+，B-電壓與P+，P-電壓是否一致，若兩電壓一致，說明保護板工作正常（保護板相當于開關，開關已經(jīng)打開，電流可安全通過）。如不一，按照上面接線順序檢查接線是否正確。

同口和分口保護板排線的接線方法是一樣的，區(qū)別在于放電線、充電線的接線方法不一樣。同口充放電的負極都是接在P-線上；分口是充電線接在C-線上、放電接在P-線上。

原標題:專題 鋰動力電池包保護板功能及接線