二次锂电池保护系统培训教材

二次锂电池的保护系统

笔记本电脑★便携式DVD★数码产品及手机★动力电池★医疗设备★军事通信设备提纲一、电子产品的静电防护二、主要保护器件介绍三、过度充电保护原理与实现方法四、过度放电保护原理与实现方法五、过流（短路）保护原理与实现方法六、均衡原理与实现方法

七、锂电池保护IC的新功能八、对保护IC及MOSFET性能的要求九、我司保护板的一般设置值十、如何合理选择保护板十一、如何焊接保护板电子产品的静电防护（一）静电的产生自然界的所有物质都是由原子组合而成，而原子含有质子和中子，质子具有正电荷，电子具有负电荷，通常任何物体带有的正负电荷是等量的，当其发生运动(摩擦、接触、冷冻、电解、温差等)，一种物体积聚正电荷,另一物体积聚负电荷,从而在物体上产生静电。在电子产品生产中，产生静电的主要途径为：摩擦、感应和传导。

(二)

对电子器件的危害据统计，半导体破坏率：59%是由静电引起。而其中仅有10%的是静电敏感器件（如MOSFET）硬击穿，即MOSFET立即失效（短路﹑开路﹑等参数变化）;有90%的为潜在性损伤---软击穿。由于IC是电子产品的核心，它的失效就会引起电子产品的工作不正常或损坏，因此静电是电子产品的无形杀手。在电子器件生产中静电的危害形式：(1).静电吸附尘埃，引起短路现象的产生。(2).静电放电引起的器件击穿（软击穿、硬击穿）。A.硬击穿：器件受到静电影响后，产生永久性的创伤或性能完全丧失。B.软击穿：器件受静电影响后，开始性能沒有明显恶化或失效，随着时间的推移﹐会出现随机性的变化，间歇性丧失功能﹐性能不稳定。结果是造成电子产品或设备工作不稳定和不可靠。鉴于公司目前的状况，若想做到对静电有很好的防护是不可能的（资金投入很大），但是我们目前有能力做到的，一定要做到，下面演示存放电子产品的正确操作。指出下列错误的原因

OKOKOK主要保护器件介绍一级保护系统主要由IC来控制MOSFET的开关进行保护。基于一级保护电路失效的情况，预防恶性安全事故的发生,有必要建立二级保护功能。常见的二级保护措施有：电芯本体内部保护快速融断保险丝PTC温度保险丝一次性温度电流保险丝高压输入保护反压输入保护过压二级保护线路(采用第二颗锂电池保护IC配合三端温度保险丝使用，当出现过电压时，强行一次性融断温度保险丝，避免电池起火爆炸）过度充电保护原理与实现方法过度充电保护IC的原理为：当外部充电器对锂电池充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。此时，保护IC需检测电池电压，当到达4.25V时(假设电池过充点为4.25V)即激活过度充电保护，将功率MOSFET由开转为关断，进而截止充电。另外,还必须注意因噪声所产生的过度充电检测误动作，以免判定为过充保护。因此，需要设定延迟时间（即过充延迟时间），并且延迟时间不能短于噪声的持续时间。（问题：过充应该怎样测试？）过度放电保护原理与实现方法

在过度放电的情况下，电解液因分解而导致电池特性劣化，并造成充电次数的降低。采用锂电池保护IC可以避免过度放电现象发生，实现电池保护功能。过度放电保护IC原理：为了防止锂电池的过度放电状态，假设锂电池接上负载，当锂电池电压低于其过度放电电压检测点2.3V(假定为2.3V)时将激活过度放电保护，使功率MOSFET由开转变为关断而截止放电，以避免电池过度放电现象发生，并将电池保持在低静态电流的待机模式，此时的电流仅0.1uA。当锂电池接上充电器，且此时锂电池电压高于过度放电恢复电压时，过度放电保护功能方可解除。另外，考虑到脉冲放电的情况，过放电检测电路设有延迟时间以避免发生误动作。（过放延迟时间）（问题：过放应怎样测试？）过流（短路）保护原理与实现方法因不明原因(放电时或正负极遭金属物误触)造成过电流或短路，为确保安全，必须使其立即停止放电。

过电流保护IC原理为：当放电电流过大或短路情况发生时，保护IC将激活过(短路)电流保护，此时过电流的检测是将功率MOSFET的Rds(on)当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形，如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电，计算公式为:V-=I×Rds(on)×2(V-为过电流检测电压，I为放电电流)。假设V-=0.2V，Rds(on)=25mΩ,则保护电流的大小为I=4A。同样地，过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时发生误动作。（即过流延时）

通常在过电流发生后,若能去除过电流因素(例如马上与负载脱离)，将会恢复其正常状态，可以再进行正常的充放电动作。（过流自恢复）（问题：要使过流为8A，应怎样处理？）

均衡原理及实现方法当电池在组合的情况下，由于电池的不一致性，将会影响容量发挥，此时可以用小电流放电形式对电池均衡。实现方法有智能型和非智能型。我们动力电池保护板均衡检测是智能型。非动力电池保护板的均衡检测是靠电压锁定模式进行均衡。均衡电流不能过大，一般为80－130mA，主要考虑到大功率低压驱动MOSFET成本较高及散热等因素。锂电池保护IC的新功能除了上述的锂电池保护IC功能之外，下面这些新的功能同样值得关注：1.充电时的过电流保护

当连接充电器进行充电时突然发生过电流(如充电器损坏)，电路立即进行过电流检测，此时Cout将由高转为低,功率MOSFET由开转为关断，实现保护功能。

V-(Vdet4过电流检测电压，Vdet4为-0.1V)=I(充电电流)×Rds(on)×2

2.过度充电时的锁定模式

通常保护IC在过度充电保护时将经过一段延迟时间，然后就会将功率MOSFET关断以达到保护的目的，当锂电池电压一直下降到解除点(过度充电滞后电压)时就会恢复，此时又会继续充电-保护-放电-充电-放电。这种状态的安全性问题将无法获得有效解决，锂电池将一直重复着充电-放电-充电-放电的动作，功率MOSFET的栅极将反复地处于高低电压交替状态，这样可能会使MOSFET变热，还会降低电池寿命,因此锁定模式很重要。假如锂电保护电路在检测到过度充电保护时有锁定模式，MOSFET将不会变热，且安全性相对提高很多。

在过度充电保护之后，只要充电器连接在电池包上，此时将进入过充锁定模式。此时，即使锂电池电压下降也不会发生再充电的情形，将充电器移除并连接负载即可恢复充放电的状态。

对保护IC及MOSFET性能的要求

1.过度充电保护的高精度化

当锂离子电池有过度充电状态时，为防止因温度上升所导致的内压上升，须截止充电状态。保护IC将检测电池电压，当检测到过度充电时，则过度充电检测的功率MOSFET使之关断而截止充电。此时应注意的是过度充电的检测电压的高精度化，在电池充电时，使电池充电到饱满的状态是使用者很关心的问题，同时兼顾到安全性问题，因此需要在达到容许电压时截止充电状态。要同时符合这两个条件，必须有高精度的检测器，目前检测器的精度为25mV，该精度将有待于进一步提高。

2.降低保护IC的耗电

随着使用时间的增加，已充过电的锂离子电池电压会逐渐降低，最后低到规格标准值以下，此时就需要再度充电。若未充电而继续使用，可能造成由于过度放电而使电池不能继续使用。为防止过度放电，保护IC必须检测电池电压，一旦达到过度放电检测电压以下，就得使放电一方的功率MOSFET关断而截止放电。但此时电池本身仍有自然放电及保护IC的消耗电流存在，因此需要使保护IC消耗的电流降到最低程度。现在能做到0.1uA。（即过放后自耗电）（问题：过放后自耗电应怎样测试？）3.过电流/短路保护需有低检测电压及高精度的要求

因不明原因导致短路时必须立即停止放电。过电流的检测是以功率MOSFET的Rds(on)为感应阻抗，以监视其电压的下降，此时的电压若比过电流检测电压还高时即停止放电。为了使功率MOSFET的Rds(on)在充电电流与放电电流时有效应用，需使该阻抗值尽量低，目前该阻抗约为20mΩ~30mΩ，我们动力电池保护板用的10mΩ/1W/5PCS功率贴片电阻，这样过电流检测电压就可较低。4.耐高电压

电池包与充电器连接时瞬间会有高压产生，因此保护IC应满足耐高压的要求。5.低电池功耗

在保护状态时，其静态耗电流必须要小0.1uA。6.零伏可充电

有些电池在存放的过程中可能因为放太久或不正常的原因导致电压低到0V，故保护IC需要在0V时也可以实现充电。我司电池保护板一般设置值单节保护

过充电压保护4.25～4.35V铁系保护电压3.65～3.9V

过放电压保护2.3～2.5V铁系保护电压2.0～2.4V

过电流保护 2C～3C

短路保护

过电流切断时间10mS~15mS

短路切断时间<600uS

过充在电压跌落时自恢复功能

过放在电压回升时自恢复功能

短路/过流在解除时自恢复功能多节保护

对每节锂电芯独立进行过充，过放保护

对整个锂电池组进行过电流和短路保护对整个锂电池组进行反充保护和高压保护（只限于动力电池保护板）通过保护芯片对锂电池电芯进行电压均衡非铁系：4.2V/90mA铁系为：3.65V/90mA动力电池可通过程序设置。

说明：这里所指的多节均指串联的锂电池

如有多节并联，则视同为单节锂电电芯如何合理选择保护板保护板选择的主要原则是：既要考虑到电芯的安全，又能符合客户要求，即能正常使用。同时又要使成本最小化，电芯的安全优先级高于客户的正常使用。客户正常使用优先级高于成本。下面以具体的案例来分析如何合理选择保护板。以锰酸锂为例，过充，过放值均由我司来定。案例1：有一个客户主机工作电流为4A，瞬间最大电流10A(8mS)，要用4ah的电芯1S1P。（常温下工作）

案例2：有一个客户主机工作电流为4A，瞬间最大电流10A(8mS)，要用4ah的电芯1S1P。（50度下工作）案例3：有一个客户主机工作电流为4A，瞬间最大电流10A(30mS)，要用4ah的电芯1S1P。（常温下工作）案例4：有一个客户主机工作电流为4A，瞬间最大电流30A(8mS)，要用4ah的电芯1S1P。

（常温下工作）

『保护板资料』保护板资料A：过充4.25V延时1S过放2.4V延时150mS

过流10A延时15mS工作电流4A自耗电8uAB：过充4.35V延时1S过放2.3V延时150mS过流10A延时15mS工作电流5A自耗电8uAC：过充4.25V延时1S过放2.4V延时150mS过流10A延时40mS工作电流4A自耗电8uAD：过充4.25V延时1S过放2.3V延时150mS过流20A延时15mS工作电流4A自耗电8uAE：过充4.35V延时1S过放2.5V延时150mS过流35A延时5mS工作电流4A自耗电8uAF：过充4.25V延时1S过放2.5V延时150mS过流10A延时35mS工作电流5A自耗电8uA如何焊接PACK一、准备工作1.1、手上必须带上静电环及静电手套，静电环需有效可靠接地；1.2、工作台上应有静电席，静电席必须有效可靠接地；1.3、烙铁必须有效可靠接地，温度保持在300℃～400℃左右；1.4、烙铁架里应放一快高温吸水棉，高温吸水棉应保持足够的水分（擦烙铁头用）；准备一硬纸盒，用于敲去烙铁头上的干锡；1.5、准备好助焊剂、焊锡丝，助焊剂需用无铅的中性助焊剂（如松香等）焊锡丝需用无铅焊锡；1.6、检查烙铁头是否已经氧化或是否容易上锡；不易上锡的应及时清洗烙铁头或更换烙铁头；（清洗方法：先用高温吸水棉擦拭，再用焊锡对烙铁头进行搪锡，反复多次使烙铁头保持光亮且易上锡）；1.7、手上需保持干燥清洁，特别不能有手汗或液体；1.8、在焊接完成之后，烙铁头应上锡保养，若短时间不用，应将温度调低，若长时间不用，应使烙铁处于OFF状态。二、焊接作业要求

2.1、焊前准备：焊接前的准备工作主要是对烙铁头的预处理，应在烙铁架的小盒内准备好高温吸水棉（用水浸湿，保持足够的水分），在再准备一小厚纸盒