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鋰電池保護板的工作原理

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年05月08日  

鋰電池保護板是對串聯鋰電池組的充放電保護;在充滿電時能保證各單體電池之間的電壓差異小于設定值(一般±20mV),實現電池組各單體電池的均充,有效地改善了串聯充電方式下的充電效果;同時檢測電池組中各個單體電池的過壓、欠壓、過流、短路、過溫狀態,保護并延長電池使用壽命;欠壓保護使每一單節電池在放電使用時避免電池因過放電而損壞。


成品鋰電池組成主要有兩大部分,鋰電池芯和保護板,鋰電池芯主要由正極板、隔膜、負極板、電解液組成;正極板、隔膜、負極板纏繞或層疊,包裝,灌注電解液,封裝后即制成電芯,鋰電池保護板的作用很多人都不知道,鋰電池保護板,顧名思義就是保護鋰電池用的,鋰電池保護板的作用是保護電池不過放、不過充、不過流,還有就是輸出短路保護。


01


保護板的工作原理


1、過充保護及過充保護恢復


當電池被充電使電壓超過設定值VC(4.25-4.35V,具體過充保護電壓取決于IC)后,VD1翻轉使Cout變為低電平,T1截止,充電停止.當電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V,具體過充保護恢復電壓取決于IC)時,Cout變為高電平,T1導通充電繼續,VCR必須小于VC一個定值,以防止頻繁跳變。


2、過放保護及過放保護恢復


當電池電壓因放電而降低至設定值VD(2.3-2.5V,具體過充保護電壓取決于IC)時,VD2翻轉,以短時間延時后,使Dout變為低電平,T2截止,放電停止,當電池被置于充電時,內部或門被翻轉而使T2再次導通為下次放電作好準備。


3、過流、短路保護


當電路充放回路電流超過設定值或被短路時,短路檢測電路動作,使MOS管關斷,電流截止。


03


保護板主要零件的功能介紹


R1:基準供電電阻;與IC內部電阻構成分壓電路,控制內部過充、過放電壓比較器的電平翻轉;一般在阻值為330Ω、470Ω比較多;當封裝形式(即用標準元件的長和寬來表示元件大小,如0402封裝標識此元件的長和寬分別為1.0mm和0.5mm)較大時,會用數字標識其阻值,如貼片電阻上數字標識473,即表示其阻值為47000Ω即47KΩ(第三位數表示在前兩位后面加0的位數)。


R2:過流、短路檢測電阻;通過檢測VM端電壓控制保護板的電流,焊接不良、損壞會造成電池過流、短路無保護,一般阻值為1KΩ、2KΩ較多。


R3:ID識別電阻或NTC電阻(前面有介紹)或兩者都有。


總結:電阻在保護板中為黑色貼片,用萬用表可測其阻值,當封裝較大時其阻值會用數字表示,表示方法如上所述,當然電阻阻值一般都有偏差,每個電阻都有精度規格,如10KΩ電阻規格為+/-5%精度則其阻值為9.5KΩ-10.5KΩ范圍內都為合格。


C1、C2:由于電容兩端電壓不能突變,起瞬間穩壓和濾波作用。總結:電容在保護板中為黃色貼片,封裝形式0402較多,也有少數0603封裝(1.6mm長,0.8mm寬);用萬用表檢測其阻值一般為無窮大或MΩ級別;電容漏電會產生自耗電大,短路無自恢復現象。FUSE:普通FUSE或PTC(PositiveTemperatureCoefficient的縮寫,意思是正溫度系數);防止不安全大電流和高溫放電的發生,其中PTC有自恢復功能。


總結:FUSE在保護板中一般為白色貼片,LITTE公司提供FUSE會在FUSE上標識字符D-T,字符表示意思為FUSE能承受的額定電流,如表示D額定電流為0.25A,S為4A,T為5A等。


U1:控制IC;保護板所有功能都是IC通過監視連接在VDD-VSS間的電壓差及VM-VSS間的電壓差而控制C-MOS執行開關動作來實現的。


Cout:過充控制端;通過MOS管T2柵極電壓控制MOS管的開關。


Dout:過放、過流、短路控制端;通過MOS管T1柵極電壓控制MOS管的開關。


VM:過流、短路保護電壓檢測端;通過檢測VM端的電壓實現電路的過流、短路保護


(U(VM)=I*R(MOSFET))。


總結:IC在保護板中一般為6個管腳的封裝形式,其區別管腳的方法為:在封裝體上標識黑點的附近為第1管腳,然后逆時針旋轉分別為第2、3、4、5、6管腳;如封裝體上無黑點標識,則正看封裝體上字符左下為第1管腳,其余管腳逆時針類推)C-MOS:場效應開關管;保護功能的實現者;連焊、虛焊、假焊、擊穿時會造成電池無保護、無顯示、輸出電壓低等不良現象。


總結:CMOS在保護板中一般為8個管腳的封裝形式,它時由兩個MOS管構成,相當于兩個開關,分別控制過充保護和過放、過流、短路保護;其管腳區分方法和IC一樣。


在保護板正常情況下,Vdd為高電平,Vss、VM為低電平,Dout、Cout為高電平;當Vdd、Vss、VM任何一項參數變換時,Dout或Cout的電平將發生變化,此時MOSFET執行相應的動作(開、關電路),從而實現電路的保護和恢復功能。


04


保護板常見不良分析


一、無顯示、輸出電壓低、帶不起負載:


此類不良首先排除電芯不良(電芯本來無電壓或電壓低),如果電芯不良則應測試保護板的自耗電,看是否是保護板自耗電過大導致電芯電壓低。如果電芯電壓正常,則是由于保護板整個回路不通(元器件虛焊、假焊、FUSE不良、PCB板內部電路不通、過孔不通、MOS、IC損壞等)。具體分析步驟如下:


(一)、用萬用表黑表筆接電芯負極,紅表筆依次接FUSE、R1電阻兩端,IC的Vdd、Dout、Cout端,P+端(假設電芯電壓為3.8V),逐段進行分析,此幾個測試點都應為3.8V。若不是,則此段電路有問題。


1.FUSE兩端電壓有變化:測試FUSE是否導通,若導通則是PCB板內部電路不通;若不導通則FUSE有問題(來料不良、過流損壞(MOS或IC控制失效)、材質有問題(在MOS或IC動作之前FUSE被燒壞),然后用導線短接FUSE,繼續往后分析。


2.R1電阻兩端電壓有變化:測試R1電阻值,若電阻值異常,則可能是虛焊,電阻本身斷裂。若電阻值無異常,則可能是IC內部電阻出現問題。


3.IC測試端電壓有變化:Vdd端與R1電阻相連。Dout、Cout端異常,則是由于IC虛焊或損壞。


4.若前面電壓都無變化,測試B-到P+間的電壓異常,則是由于保護板正極過孔不通。


(二)、萬用表紅表筆接電芯正極,激活MOS管后,黑表筆依次接MOS管2、3腳,6、7腳,P-端。


1.MOS管2、3腳,6、7腳電壓有變化,則表示MOS管異常。


2.若MOS管電壓無變化,P-端電壓異常,則是由于保護板負極過孔不通。


二、短路無保護:


1.VM端電阻出現問題:可用萬用表一表筆接IC2腳,一表筆接與VM端電阻相連的MOS管管腳,確認其電阻值大小。看電阻與IC、MOS管腳有無虛焊。


2.IC、MOS異常:由于過放保護與過流、短路保護共用一個MOS管,若短路異常是由于MOS出現問題,則此板應無過放保護功能。


3.以上為正常狀況下的不良,也可能出現IC與MOS配置不良引起的短路異常。如前期出現的BK-901,其型號為‘312D’的IC內延遲時間過長,導致在IC作出相應動作控制之前MOS或其它元器件已被損壞。注:其中確定IC或MOS是否發生異常最簡易、直接的方法就是對有懷疑的元器件進行更換。


三、短路保護無自恢復:


1.設計時所用IC本來沒有自恢復功能,如G2J,G2Z等。


2.儀器設置短路恢復時間過短,或短路測試時未將負載移開,如用萬用表電壓檔進行短路表筆短接后未將表筆從測試端移開(萬用表相當于一個幾兆的負載)。


3.P+、P-間漏電,如焊盤之間存在帶雜質的松香,帶雜質的黃膠或P+、P-間電容被擊穿,ICVdd到Vss間被擊穿.(阻值只有幾K到幾百K)。


4.如果以上都沒問題,可能IC被擊穿,可測試IC各管腳之間阻值。


四、內阻大:


1.由于MOS內阻相對比較穩定,出現內阻大情況,首先懷疑的應該是FUSE或PTC這些內阻相對比較容易發生變化的元器件。


2.如果FUSE或PTC阻值正常,則視保護板結構檢測P+、P-焊盤與元器件面之間的過孔阻值,可能過孔出現微斷現象,阻值較大。


3.如果以上多沒有問題,就要懷疑MOS是否出現異常:首先確定焊接有沒有問題;其次看板的厚度(是否容易彎折),因為彎折時可能導致管腳焊接處異常;再將MOS管放到顯微鏡下觀測是否破裂;最后用萬用表測試MOS管腳阻值,看是否被擊穿。


五、ID異常:


1.ID電阻本身由于虛焊、斷裂或因電阻材質不過關而出現異常:可重新焊接電阻兩端,若重焊后ID正常則是電阻虛焊,若斷裂則電阻會在重焊后從中裂開。


2.ID過孔不導通:可用萬用表測試過孔兩端。


3.內部線路出現問題:可刮開阻焊漆看內部電路有無斷開、短路現象。


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