这次终于有机会看一下锂离子电池的保护板到底是个什么东东,我也弄到一个比较典型的电池保护板,今天就一起学习一下它的硬件电路设计。

 

 

先说一下概念,锂离子电池的保护板可以理解为是一种简化设计的BMS,它完全通过硬件的方案去实现过压、欠压、过流等保护功能,不需要软件控制;板子上面只有简单的阻容、MOS以及控制IC;今天的目的就是一步一步把它的硬件方案弄明白。

 

今天分析的保护板如下图所示:整个PCBA的尺寸大概为135mm*65mm*7mm,,没有外壳,四个角留有固定的螺钉孔;PCB板厚为1.6mm,应该是两层板,呈红色。

 

 

单板的B面没有布置任何器件,这个板子的器件最小封装为0603。

 

 

整个单板的功能划分如下:主要分成了四个模块,即连接器输入、均衡、控制以及充放电开关模块。

 

 

连接器输入模块

 

如下图所示,输入的连接器为4PIN,但是这个单板是保护4节电芯的,所以这4个PIN连接的为四节串联电芯的正极,而第一节电芯的负极不在此输入,而在裸露大片铜的负极接线处。

 

 

均衡模块

 

均衡功能模块如下图所示:四节电芯对应四路均衡,均衡电阻为47Ω/1206封装,使用NMOS作为均衡开关。

 

 

均衡电路里面主要的器件就是均衡控制开关,来自厂家HYCON,型号为HY2212,内部框图如下所示:它是单节均衡芯片,适用于磷酸铁锂电芯,它通过检测VDD与VSS之间的电压来判断是否需要进行均衡,OUT引脚输出信号来驱动外面的MOS,这个电压阈值是可以选择的。

 

 

所以此单板均衡电路如下图所示(来自HYCON官网),R1与C1为滤波使用。

 

 

 

充放电开关

 

充放电开关采用了16个NMOS实现,其中又分为两组,一组做放电开关,一组做充电开关;而且每组是由8个相同型号的NMOS并联的,但充放电的MOS型号却不一致;我照着丝印找了一下,没找到具体的厂家与型号,但二者都是NMOS。

 

 

具体的连接如下:两种NMOS都是放置在电芯负极的,是对顶结构,即两个D极相连,这样体二极管就起到了双向防反的作用;G极都连接到控制芯片的放电开关引脚以及充电开关引脚。

控制模块

 

整个单板最核心的地方就是这个控制芯片了,这个芯片来自于创芯微,具体型号为CM1041-GS,它不需要烧录程序,完全通过硬件电路来实现过欠压、过流等基本的保护功能。

 

 

先看一下这个芯片的功能介绍(下图来自于创芯微官网),CM1041是一款工业级芯片,应用于电动工具等场合,用来给锂离子电池做被动保护的。

 

 

CM1041的内部功能框图如下(来自于创芯微官网),它的内部有四路单体电压检测,通过过充过放比较后,将结果输出到逻辑处理单元;同时温度检测、电流检测功能也都是将结果输出到逻辑处理;逻辑处理单元根据各个模块的检测状态来控制外部的充放电开关、整个控制逻辑完全由硬件实现。

 

 

此芯片有多种型号选择,不同点在于保护的阈值有差异,以适用不同特性的电芯;此单板使用的型号是CM1041-GS,对应的保护阈值例如过充电为3.65V,过放电阈值为2.32V,所以它适用于磷酸铁锂电芯。

 

 

只要控制芯片弄清楚,此单板就简单了,它的整个应用电路就是下图所示(来自于创芯微官网),负极的充放电开关只有电芯电压在阈值范围内才会打开,例如电芯电压小于2.32V,那么放电的MOS就断开,充电的MOS是闭合状态,此时只能做充电,充电时电流先从放电MOS的体二极管流出,等到电芯电压升高到2.58V后,放电MOS才打开。

 

 

总结:

 

我发现国产的芯片厂商起名字都扎堆微字,例如纳芯微、圣邦微、复旦微,还有今天的创芯微,哈哈;以上所有,仅供参考。