电池保护板保护原理

　　目前市面上的电池不管是磷酸铁锂电池，三元电池，还是钛酸锂电池都离不开电池保护板，有人问为什么要用保护板呢？不用保护板不是能省很多钱吗？有这样想的客户也不奇怪，因为他们不懂锂电池，不了解电池的特性，要是了解了锂电池你就会觉得这个钱不能省，这是保证电池产品安全的最后一道防线。

　　锂电池近几年来飞速发展，国家也大力支持新能源领域的的开发，虽然发展近百年了，目前还暂时没有材料能够保证电池不起火不爆炸，都还需要加个保护板来保护电池过充、过放、过流以及短路，来实现电池的安全性，为什么锂电池这么怕过充过放呢？原因在于在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解而产生气体，因内压上升而发生自燃或破裂的危险；反之，在过度放电状态下，电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化，从而降低可充电次数。锂离子电池的保护电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全性，并防止特性劣化。

　　锂离子电池的保护电路是由保护IC及两颗功率MOS所构成，其中保护IC监视电池电压，当有过度充电及放电状态时切断到以外挂的功率MOS来保护电池，保护IC的功能有过度充电保护、过度放电保护和过电流及短路保护（如图1所示）。

　　过充保护：当充电器再给电池充电充电时，充电的电流流向是从P+   B+   B-   P-(如图2所示)，IC一直在检测电池的电压，当电池电压上升到4.28V±50mV时持续120ms,控制IC就会在CO口输出一个低电平，正常情况下CO口是输出一个高电平，高电平变低电平从而把MOS关断，切断充电回路，防止电池继续充电，（如图3所示），切断回路后，因为充电是浮充的，所以当没有充电电流后，电池电压会下降，当这时接负载放电，电池电压下降到过充恢复电压4.08V±50mV时，CO会输出一个高电平，把充电MOS管打开，如果这时再接入充电器又可以继续充电，有些人可能会有些疑问？刚才不是说充电MOS管关闭了吗？回路已经切断了怎么还能放电呢？其实这是MOS管内部结构问题，MOS内部有个体二极管，二极管的方向跟MOS管的导通方向是相反的，同时放电的回路和充电的回路电流是相反的，放电的时候，电流从充电MOS管的体二级管流过，从而能够做到过充之后还能够继续放电，但是设计上要处理好这个问题，因为体二级管流过的电流是有限的，不能长时间大电流放电，否则会烧坏充电MOS管，所以在电池设计保护板的时候要考虑好电池的容量，负载能力，以及IC的电压保护和恢复参数，否则很容易造成设计缺陷，造成产品不良，存在安全隐患。

　　过放保护：当电池给设备供电时，放电电流流向是从B+   P+   P-   B-(如图4所示)，IC在放电过程中会一直在检测电池的电压，当电池电压下降到2.4V±100mV持续60ms以上时,控制IC就会在DO口输出一个低电平，正常情况下DO口是输出一个高电平，高电平变低电平从而把MOS关断，切断放电回路，防止电池继续放电，（如图5所示），切断回路后，，没有放电电流后，电池电压会回升，接充电器或者电池电压回升到过放恢复电压3.0V±100mV时，DO会输出一个高电平，把放电MOS管打开，为什么关断放电MOS之后还能接充电器充电，原理跟上面充电MOS一样，充电电流与放电电流是相反的，而且电流经过的是MOS管内部的体二极管，所以能够充电。

　　过流、短路保护：过流和短路保护意义在于保护电池大电流放电，大电流放电容易损坏电芯内部结构，所以出现大电流放电时要切断放电回路，即保护了电池也保护了PCB线路，短路也是大电流放电的一种，在客户使用不当或者主控板失效的情况出现大电流和短路的情况，保护板能够及时切断回路，保证产品在安全的使用范围。保护的原理是IC内部有一个固定的过流检测电压0.15V和一个短路保护电压1.3V，当电流流过MOS,MOS管存在阻抗，MOS管两端就会产生压降，电流越大压降越大，根据U=I*R来计算，例如流经MOS管电流是5A,MOS管的阻抗是50mR,那么MOS产生的压降为0.25mV,IC内部有个比较器，当电压大于设定的0.15V持续10ms以上，DO输出从高电平变成低电平，切断放电回路。

　　综上分析，目前材料体系下，电芯离不开保护板，保护板能够保护电芯安全运转，所以不能为了省这点成本，让电芯失去保护的功能，如果就是因为几毛钱的成本，造成电芯起火爆炸，那么造成的损失不是省下来的这点钱能补偿回来的，切勿因小失大。

　　友飞翔电子工程师 刘工

　　2024-03-26