解析电动自行车锂电池组保护电路设计

锂电池保护板二极保护电路设计锂电池是一种被广泛应用于电子产品中的电池，它具有高能量密度、轻量化以及长寿命的特点，因此受到了广泛的关注和应用。

然而，锂电池在充放电过程中存在着一定的安全隐患，如果不加以合理的保护措施，可能会导致电池过充、过放、短路等问题，甚至引发火灾或爆炸。

锂电池保护板的设计对于保障电池的安全性至关重要。

在锂电池保护板中，二极保护电路是一项至关重要的设计，它主要负责监测电池的电压、温度和电流等参数，一旦发现异常情况，及时对电池进行保护。

二极保护电路的设计对于确保锂电池的安全性至关重要。

本文将从设计原理、电路结构、工作原理和实际应用等方面对锂电池保护板二极保护电路进行深入探讨，以期为锂电池保护板的设计和应用提供一定的参考价值。

一、设计原理二极保护电路的设计原理主要是基于对锂电池充放电过程的监测和保护。

一般来说，锂电池的充放电过程中会伴随着电压、温度和电流等参数的变化，如果这些参数超出了锂电池的允许范围，就会对电池造成潜在的安全隐患。

二极保护电路的设计目标就是及时监测这些参数，并在出现异常情况时对电池进行保护，保证电池的安全性。

二、电路结构二极保护电路通常由电压检测电路、温度检测电路和电流检测电路等部分组成。

其中，电压检测电路一般采用分压电路来对电池的电压进行监测，温度检测电路则通常采用NTC热敏电阻来监测电池的温度变化，而电流检测电路则使用霍尔元件或电流互感器等来监测电池的充放电电流。

在监测到异常情况时，二极保护电路会通过MOS管或继电器等元件对电池进行保护，比如切断充电或放电电路，从而保证锂电池的安全性。

三、工作原理二极保护电路在工作过程中主要分为两个阶段，第一阶段是监测阶段，通过电压、温度和电流检测电路对电池的参数进行实时监测。

第二阶段是保护阶段，当监测到电池出现异常情况时，二极保护电路会通过控制MOS管或继电器等元件对电池进行保护，比如切断充电或放电电路，避免电池受到进一步的损害。

3 串电动工具保护板设计资料
1、产品介绍：
此 3 串锂电池保护板采用ST 超低功耗MCU 和大电流低内阻的功率MOS 及低功耗电源 管理等实现的电池保护电路。

精度高，功耗低，带电量平衡功能，可靠性稳定，性价比高，
参数指标可根据实际需求灵活设置，专业配套于电动工具等领域。

1.1、高精度的电压检测功能
单节电池电压精度为30mV，确保电池过充、过放、均衡等电路的准确动作。

1.2、超低的静态功耗
工作时自耗电电流小于30μA，过放后自耗电电流小于20μA。

1.3、电池电量平衡功能
电池电量平衡功能以保证各节电池间的容量均衡，从而大大延长了锂电池组的使用寿命。

1.4、可靠性强，性价比高，参数设置灵活
抗干扰能力强的超低功耗单片机STM8L151F3P6，参数由软件灵活设置以减少硬件电路调整，整个电路性价比高。

2．参数规格
3.产品外观
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电动自行车锂电池充放电保护方案Ｌｉ＿ｉｏｎＢａｔｔｅｒｙＣｈａｒｇｅ—ｄｉｓｃｈａｒｇｅＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＳｃｈｅｍｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＢｉｃｙｃｌｅ栏目编辑Ｉｌ莫怡欣ＩＩ利尔达科技有限公司技术部张军元摘要：本文从电动自行车能源转变趋势论述了采用超低功耗、高性能ＭＳＰ４３０Ｆ２０Ｘ３设计电动自行车的锂电池充、放电保护电路的方案。

该方案从系统架构、充放电电路、检测及保护电路设计的每一个细节论述设计的全过程，为电动自行车电源的设计者提供了比较全面的参考。

关键词：ＭＳＰ４３０Ｆ２０Ｘ３，超低功耗，锂电池，电动自行车，充电方式温度、限定充电时间，为电池提供附加保护。

采用集成度高，超低功耗的ＭＳＰ４３０Ｆ２０Ｘ３系列的单片机做此方案具有优势。

ＭＳＰ４３０Ｆ２０Ｘ３系列为高速、低功耗、模数混合信号单片机，集成度高，功能强，体积小，低功耗。

它适用于小型产品设计中寻求较高精度测量的应用。

随着电动自行车使用的逐渐普及，电动自行车的能源也成为众人关心的焦点。

以前所使Ｍ。

ｓＰ４了ｆ）心０Ｊ『３的结构静性用的铅蓄电池体积大，质量重且不回收会污染与其它类型的单片机相比，环境，而锂离子电池正在成为铅蓄电池的替代ＭＳＰ４３０Ｆ２０Ｘ３系列有以下特性：品，它以具有较高的能量重量比和能量体积・低电压范围１．８～３．６Ｖ；比，无记忆效应，可重复充电次数多，使用寿・超低功耗五种省电模式；命较长的优点成为电动自行车的首选能源。

・从待机到唤醒不超过１“Ｓ；目前应用于电动自行车的多为３并ｌＯ串或・１６位精简指令集；４并１０串电池组。

但它对充电器、保护电路的・带２个捕获／比较寄存器的１６位定时器要求比较苛刻。

要求较高的控制精度（精度高ＴｉｍｅｒＡ＿２；于１％），充电方式是恒流恒压方式，有过压充电・集成差分ＰＧＡ输入和内部参考电压的１６保护。

且能对于电压过低的电池进行预充，充位Ａ／Ｄ；图１充放电保护结构电终止检测除电压检测外，还需采用其他的辅・通用串行接Ｉ：１（ＵＳＩ），支持ＳＰＩ和ＦＣ；框图助方法作为防止过充的后备措施，如检测电池・电源电压监测。

电动车36 V锂电池组保护电路设计方案
随着电动自行车的逐渐普及，电动自行车的主要能源---锂电池也成为众人关心的焦点。

锂电池与镍镉、镍氢电池不太一样，因其能量密度高，对充放电要求很高。

当过充、过放、过流及短路保护等情况发生时，锂电池内的压力与热量大量增加，容易产生爆炸，因此通常都会在电池包内加保护电路，用以提高锂电池的使用寿命。

针对目前电动车锂电池组所用的保护电路大多都由分立原件构成，存在控制精度不够高、技术指标低、不能有效保护锂电池组等特点，本文中提出一种基于单片机的电动车36 V锂电池组（由10节3. 6 V锂电池串联而成）保护电路设计方案，利用高性能、低功耗的ATmega16L 单片机作为检测和控制核心，用由MC34063构成的DC /DC变换控制电路为整个保护电路提供稳压电源，辅以LM60 测温、MOS管IRF530N作充放电控制开关，实现对整个电池组和单个电池的状态监控和保护功能，达到延长电池使用寿命的目的。

 1 保护电路硬件设计
 本系统以单片机为数据处理和控制的核心，将任务设计分解为电压测量、电流测量、温度测量、开关控制、电源、均衡充电等功能模块。

系统的总体框图如图1所示。

 电池组电压、电流、温度等信息通过电压采样、电流采样和温度测量电路，加到信号采集部分的A /D输入端。

A /D模块将输入的模拟信号转换为数字信号，并传输给单片机。

单片机作为数据处理和控制的核心，一方面实时监控电池组的各项性能指标和状态，一方面根据这些状态参数控制驱动大。

锂电池保护板电路原理详解
保护板电路：
以下是我司某产品上使用的锂电池保护板电路图，电池容量3000mA/3.8V，充电限制电压4.35V。

两个双MOS管两两并联。

双MOS管内部结构、
保护板BOM清单：
过充保护：
以上是电池充电电流流向，可见两个双MOS管（U2、U3）全部导通，充电的时候U1的Pin5芯片会实时监听电芯正极电压，此电压相对Pin6，因为Pin6是U1的地参考。

当电芯正极相对Pin6大于过充门限电压时，Pin3控制关闭两个MOS管，此时停止充电，只能放电。

当放电到过充恢复电压以下时，Pin3控制的MOS 管重新打开，
这时可以充电。

过放保护：
以上是电池放电电流流向，可见两个双MOS管（U2、U3）全部导通，放电的时候U1的Pin5芯片会实时监听电芯正极电压，此电压相对Pin6，因为Pin6是U1的地参考。

当电芯正极相对Pin6小于过放门限电压时，Pin1控制关闭两个MOS管，此时停止放电，只能充电。

当充电到过放恢复电压以上时，Pin1控制的MOS 管重新打开，这时可以放电。

放电过流/短路保护：
以上是电池放电电流流向，可见两个双MOS管（U2、U3）全部导通，放电的时候U1的Pin2芯片会实时监听电压，此电压相对Pin6，因为Pin6是U1的地参考。

实际上这个电压就是两个MOS的导通压降，电流越大压降越大，当电压大于放电过流保护/短路保护电压时，Pin1管脚关闭两个MOS管。

以下是芯片MM3280JB7NRH的各种截止电压参数：。

锂电池保护电路设计方案锂电池材料组成及性能探析首先咱们来了解一下锂电池的材料组成，锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。

这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。

其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价钱。

因此廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重点。

负极材料一般选用碳材料，目前的发展比较成熟。

而正极材料的开发已经成为制约锂离子电池性能进一步提高、价钱进一步降低的重要因素。

在目前的商业化生产的锂离子电池中，正极材料的本钱大约占整个电池本钱的40%左右，正极材料价钱的降低直接决定着锂离子电池价钱的降低。

对锂离子动力电池尤其如此。

比如一块电话用的小型锂离子电池大约只需要5克左右的正极材料，而驱动一辆公共汽车用的锂离子动力电池可能需要高达500千克的正极材料。

虽然从理论上能够用作锂离子电池正极材料种类很多，常见的正极材料主要成份为LiCoO2，充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。

放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，从头和正极的化合物结合。

锂离子的移动产生了电流。

这就是锂电池工作的原理。

锂电池充放电管理设计锂电池充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。

放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，从头和正极的化合物结合。

锂离子的移动产生了电流。

原理虽然很简单，但是在实际的工业生产中，需要考虑的实际问题要多得多：正极的材料需要添加剂来维持多次充放的活性，负极的材料需要在分子结构级去设计以容纳更多的锂离子;填充在正负极之间的电解液，除维持稳定，还需要具有良好导电性，减小电池内阻。

虽然锂离子电池有以上所说的各种长处，但它对保护电路的要求比较高，在利用进程中应严格避免出现过充电、过放电现象，放电电流也不宜过大，一般而言，放电速度不该大于。

锂电池的充电进程如图所示。

锂电池串并联保护电路锂电池串并联保护电路是用于保护锂电池充放电过程中的安全性和稳定性的重要电路。

由于锂电池具有高能量密度和较高的工作电压，一旦发生过充、过放、过流等异常情况，可能会引发电池的短路、发热、爆炸等严重后果。

因此，必须采取一系列保护措施来确保锂电池的正常运行和使用安全。

在锂电池串联保护电路中，主要包括过充保护、过放保护和均衡保护三个方面。

过充保护是指当电池电压超过一定阈值时，及时切断充电电流，防止电池过充，从而避免电池损坏。

过放保护是指当电池电压降低到一定阈值时，及时切断放电电流，防止电池过放，从而延长电池的使用寿命。

均衡保护是指在充电和放电过程中，对于串联的锂电池单体进行电压均衡，避免电池之间的电压差异过大，从而提高整个电池组的工作效率和寿命。

在锂电池串联保护电路中，常用的保护元件包括保护IC、保险丝和电压检测电路等。

保护IC是保护电路的核心部件，它能够实时监测电池的电压、电流和温度等参数，当电池出现异常情况时，保护IC 会发出控制信号，切断电池与外部电路的连接，以达到保护电池的目的。

保险丝则用于限制电流，当电流超过额定值时，保险丝会熔断，切断电路，防止电池过流。

电压检测电路用于实时监测电池单体的电压，当某个电池单体的电压过高或过低时，电压检测电路会发出信号，通知保护IC进行相应的保护措施。

锂电池串并联保护电路的设计要考虑到电池组的容量、工作电压、充放电特性等因素。

一般来说，串联保护电路主要用于大容量电池组，如电动汽车、储能系统等，而并联保护电路主要用于小容量电池组，如移动电源、笔记本电脑等。

串联保护电路需要能够实时监测每个电池单体的电压和温度等参数，以及对每个电池单体进行均衡充放电，保证各个电池单体的工作状态一致。

并联保护电路则需要能够平衡电池组中各个电池单体的电荷状态，避免电池单体之间的电压差异过大。

在实际应用中，为了增加保护电路的可靠性和安全性，还可以采用多层保护的设计。

例如，在锂电池串联保护电路中，可以设置两级过充保护和过放保护，以确保电池的安全性。

电动自行车锂电池组保护电路设计许英杰;孙郅佶;李帆;范贤光【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(35)16【摘要】The lithium battery with superior performance is the development trend of the electric bicycle power, but needs a dedicated protection circuit to work with so as to ensure the safety and long-period operation. In this paper, a protection circuit board including S-8209A was designed for the lithium battery set with 4-parallel and 10-serial connection mode. It achieved the functions of overcharge protection, overdischarge protection, overcharge-overdischarge balance and overcurrent protection. The circuit has been already applied to the electric bikes with the lithium batteries.%为保证电动自行车锂电池组安全、长寿命的运行,需为其配备专用管理保护电路.为此,针对一款4并10串规格的锂电池组设计了一套保护电路板,采用S-8209A保护芯片,实现了过充电保护、过放电保护、电池充放电平衡、过电流保护、正常带载等功能,已被可靠应用于某款电动自行车的锂电池组中.【总页数】4页(P191-194)【作者】许英杰;孙郅佶;李帆;范贤光【作者单位】厦门大学机电工程训练中心,福建厦门 361005;厦门大学机电系,福建厦门361005;厦门大学机电系,福建厦门361005;厦门大学机电系,福建厦门361005【正文语种】中文【中图分类】TN709-34【相关文献】1.STM32处理器的锂电池组保护电路设计 [J], 张洪疹;吴芬2.锂电池组充放电安全保护电路设计 [J], 史万莉;高建中3.串联磷酸铁锂电池组保护电路设计 [J], 孙起山;张存山;王胜博;张淑敏4.基于单片机的磷酸铁锂电池组充放电电路设计 [J], 王宇野;庄锦涛5.宽温型磷酸铁锂电池组保护电路设计研究 [J], 王伟;于浩;刘庆新因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

电动车锂电池保护电路电动车对其电池的性能要求非常高，电动车工作时处于长时间大电流放电状态，用锂电池改装电动车，应特别小心。

一般应掌握以下原则：1、锂电池种类的选择最好选用聚合物锂电池，不轻易选择锂粒子电池。

因为锂粒子电池一旦过充、过放或超温限使用时，容易发生爆炸、燃烧、碎片飞溅伤人，且三者在瞬间同时发生，使人难以防范。

而聚合物锂电池发生过充、过放或超温限使用时，-般呈外壳铝塑膜鼓起：电池内极板与塑膜隔板分离，由于电池内无电解液，电池内阻迅速增大，容量丧失，电池自动失效，事故自行终止，因而不易发生爆炸。

2、容量尽量选择大容量锂电池。

例如原采用电池容量10Ah，选择锂电池时，最好选用5Ah/块的锂电池两块并联使用。

组装后的锂电池容量不得小于原车电池容量。

3、新旧尽量选择全新的、同一个一个厂生产的同型号、同批次的锂电池，这些新电池一致性好，使用安全、寿命长。

4、保护电路用锂电池改装电动车，应采用单体电池保护与电池组总体保护相结合的多重保护电路。

（1）单体电池保护每个单体电池都应装有各自的保护板，然后再并、串联成适合于电动车电压、容量的电池组。

每块保护板应至少有下述功能：1）过电流保护：当电流达1.5C时自动断电。

其中C为电池容量。

2）过充保护：当充电电压达4.2V时，自动断电。

3）过放保护：当放电电压达3.0V时，自动停止放电。

（2）总体保护用单体锂电池组装好的锂电池组，还需加装总体保护电路，包括过流、过充、过放、超温等多重保护。

以一组36V/10A的锂电池组加装总体保护电路的方法为例加以说明。

1）电流保护图1为笔者制作的过流保护装置。

E为36V/10Ah锂电池组；BX 为10A保险；J为继电器（用型号：YE－KDC－A04－8型彩电开关代替）；G为干簧管，在干簧管外绕有4匝线圈L；R为限流电阻；C为贮能电容；D为二极管；TK为一温度开关，动作温度45℃；M为电动车马达。

图1当合上JK时，M正常运转，E通过D向C充电，电动车正常行驶。

功率MOS管的短路保护解析通常，由于磷酸铁锂电池的特性，在应用中需要对其充放电过程进行保护，以免过充过放或过热，以保证电池安全的工作。

短路保护是放电过程中一种极端恶劣的工作条件，本文将介绍功率MOS管在这种工作状态的特点，以及如何选取功率MOS管型号和设计合适的驱动电路。

电路结构及应用特点电动自行车的磷酸铁锂电池保护板的放电电路的简化模型如图1所示。

Q1为放电管，使用N沟道增强型MOS管，实际的工作中，根据不同的应用，会使用多个功率MOS管并联工作，以减小导通电阻，增强散热性能。

RS为电池等效内阻，LP为电池引线电感。

正常工作时，控制信号控制MOS管打开，电池组的端子P+和P-输出电压，供负载使用。

此时，功率MOS管一直处于导通状态，功率损耗只有导通损耗，没有开关损耗，功率MOS管的总的功率损耗并不高，温升小，因此功率MOS管可以安全工作。

但是，当负载发生短路时，由于回路电阻很小，电池的放电能力很强，所以短路电流从正常工作的几十安培突然增加到几百安培，在这种情况下，功率MOS 管容易损坏。

磷酸铁锂电池短路保护的难点（1）短路电流大在电动车中，磷酸铁锂电池的电压一般为36V或48V，短路电流随电池的容量、内阻、线路的寄生电感、短路时的接触电阻变化而变化，通常为几百甚至上千安培。

（2）短路保护时间不能太短在应用过程中，为了防止瞬态的过载使短路保护电路误动作，因此，短路保护电路具有一定的延时。

而且，由于电流检测电阻的误差、电流检测信号和系统响应的延时，通常，根据不同的应用，将短路保护时间设置在200μS至1000μS，这要求功率MOS管在高的短路电流下，能够在此时间内安全的工作，这也提高了系统的设计难度。

短路保护当短路保护工作时，功率MOS管一般经过三个工作阶段：完全导通、关断、雪崩，如图2所示，其中VGS为MOS管驱动电压，VDS为MOS管漏极电压，ISC为短路电流，图2(b)为图2(a)中关断期间的放大图。