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如何建立高效低成本的多串鋰電池保護板測試平臺

       目前鋰電池在電動車上的應用越來越廣,相應的新加入的新能源企業也越來越多, 本文特基于上海金動港能源科技有限公司的快速保護板測試儀GP518產品系列,介紹如何以低成本的優勢實現電池廠和保護廠對電池保護板的快速測試。

       首先,我們先對市場主流的幾款電池保護芯片分析下,它們是保護板核心,不同的芯片形成了不同的保護電路方案:

(1)單芯片級聯方案

       該方案是由以前消費類(手機電池)的單節鋰電保護芯片構成,比如:理光的R5402, 精工的S8241/S8261, 富晶的FS312等芯片,該方案電路對技術要求比較高,對電路中控制電路的參數需要優化好。因為這方案時間最早,經過一批一批工程師的不斷學習調整,目前這種方案已比較成熟,大量使用在各種應該中,特別16串以上或特殊串數(比如:14串,15串,17串,19串,25串,30串等等)保護板都是采用此方案;

       對于電流短路保護,通常以外部保護電路建成,如圖二。


優點:成本最低,可快速實現任意串數保護板,一塊保護板PCB可兼容多個串數的電池包;

缺點:元器件多,生產成本高,器件問題概率高;維修不便;

(圖一)鋰電池保護板 - 單芯片級聯方案

(圖二) 常用短路保護電路

(2)3~5串芯片級聯方案
       該方案由過去的筆記本電池保護芯片,電動工具保護芯片改進而來,常用的芯片有:美之美的MM3474,理光的R5432,精工的S8254,BYD的BM3457, 中穎的SH367003/SH367004等芯片, 該方案器件較少,基于芯片原廠的參考電路,可快速的搭建保護板電路;

優點:器件較少,電路建立方便,無需考慮控制電路上的電阻/電容參數,參考原廠電路即可;
缺點:成本略高,受芯片3~5通道限制,很難實現一片電路PCB,支持不同串數選擇。基本為1種板子只支持1種電池串數,不像單芯片方案那么靈活方便。

(圖三)鋰電池保護板 3~5串芯片級聯方案

(3)8~16串單顆AFE集成芯片方案
       該方案由1顆鋰電池前端檢測(AFE)芯片構成,內置所有保護機制及通訊接口,可獨立構成保護板,也可和單片機(MCU)一起構成保護系統。比如凹凸科技的OZ8920/ OZ890,Rohm的ML5235 /ML5238, TI的 BQ76930 /BQ76940, Linear Tech 的LTC6803 /LTC6804 /LTC6811等,這種方案控制靈活,可實現更多控制策略,特別是在增加充電器檢測電路和負載檢測電路后,可實現過充/過放時,同時關閉充電MOS和放電MOS,避免電路保護后啟動時MOS體二極管的大電流風險。 

優點:電路簡單,實現方便;可與MCU結合實現更多保護策略
缺點:成本最高;保護的電池串數由芯片決定,無法支持任意串數的設計,基本也是一個板子只支持一個電池串數。

(圖四) 單芯片集成方案


       通過對幾種不同類型保護電路方案的分析,我們基本可看到,不同方案的保護功能都是由原廠的保護芯片來決定,外圍電路基于不同芯片從而有多有少。
       由于應用的不同,保護板的電流有大有小(并聯MOS有多有少),小的10A以下, 大的甚至超過150A, 因此不同功率的保護板,如購買不同功率的測試儀,成本將非常高。
       對于保護芯片,在出廠時有做過通道電路,保護邏輯等測試, 即只要芯片過充/過放的保護邏輯對,過流/短路的保護邏輯就對。 因此對于我們生產測試保護板系統時,不必過度測試本身芯片已測試過的參數,以測試電路板回路100%覆蓋率為參考(而不是以所有參數100%覆蓋為參考),我們只需要測試與外圍電路有關的功能即可,從而實現快速有效、低成本的測試。
       比如:通過測試過充&過放的保護/釋放功能,以檢查外部輸入通道是否導通,外部延遲電容是否有,外部充/放電MOS的控制回路是否工作正常,無需灌實際的大電流去再次驗證回路的導通與否(研發時一定要測試,確認設計方案正確);
       基于這種考慮, GP518系列完全滿足我們對保護板的功能測試需要,它支持測試保護板的電壓過充/過放功能,支持外部過壓(OV)檢測電壓和過放(UV)檢測電壓輸入,檢測的主要功能包括功率MOSFET導通/關閉功能、電池單體通道過壓保護及釋放功能、電池單體通道欠壓保護及釋放功能,和保護延遲時間功能,以避免延遲電容漏焊或焊錯。
       對于智能保護板(MCU板),GP518系列還提供了獨特的16通道模擬電池輸出功能,可實現任意單通道過壓輸出或欠壓輸出,方便用戶對保護板進行定點功能模擬和分析。

(4)過流測試方案
       前面提到保護板的電流有大有小,目前市面上的一些測試儀在大電流時非常昂貴,我們完全可以用一個簡單方案來實現
首先,我們知道,設計保護板時,過流保護的保護閾值是由保護芯片定好的, 我們能控制的只是選擇一個高精度的電流檢測電路(比如:1%精度,1個或幾個5mΩ/10 mΩ電阻并聯),因此,保護閾值V / 電流檢測電阻R, 即是過流的保護激活點。         芯片是對的, 電阻值也是對的,我們實際只需測試過流的保護功能即可(在此,我們無需重復測試芯片自身的參數-過流保護閾值,這在出廠時,廠家已有測試過)。
       測試過流保護功能簡圖:選擇大功率陶瓷電阻做為負載,先測試電池包電壓,計算達到過流值的電阻值,比如:45A過流值, 電池電壓約為48V, 為了觸發過流保護,可設置電阻為0.8歐, 觀察電流表的值,超過過流保護值,看電流是否在一定時間(保護延遲時間)是否變為0A, 如變為0A,認為有電流保護,否者認為無過流保護! 
       不同保護電流,可選擇不同大功率的陶瓷電阻,成本非常低,可快速測試過流保護功能是否正常。 

5快速簡易短路測試方案
       為保證安全,我們建議用63A家用2P空氣開關加焊錫絲(做為保險絲)的方案來做, 如下圖,根據不同的電池容量,焊錫絲可繞為1~3股,萬用表用于監測電壓;初時, 空開屬于斷開狀態,當電路連接好后, 上推空開,此時有3種情況:
       第一種情況:空開推上,保險絲正常,電壓表的值變為0V,==》 說明短路保護功能正常工作;
       第二種情況:空開推上,保險絲被燒斷,電壓表電壓值還有,==》說明短路保護功能異常;
      第三種情況:空開推不上,可能是保險絲繞太多,不融斷,保護板短路保護沒有及時保護。


       因此,GP518將可以滿足目前市面上保護板的功能測試需要,同時可通過建立簡易快速的過流保護測試 和 短路保護測試平臺, 整個測試系統不僅高效,而且成本很低,非常適合各保護板廠和電池廠。

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