技术中心

如何建立高效低成本的多串锂电池保护板测试平台

目前锂电池在电动车上的应用越来越广，相应的新加入的新能源企业也越来越多，本文特基于上海金动港能源科技有限公司的快速保护板测试仪GP518产品系列，介绍如何以低成本的优势实现电池厂和保护厂对电池保护板的快速测试。

首先，我们先对市场主流的几款电池保护芯片分析下，它们是保护板核心，不同的芯片形成了不同的保护电路方案：

（1）单芯片级联方案

该方案是由以前消费类（手机电池）的单节锂电保护芯片构成，比如：理光的R5402, 精工的S8241/S8261, 富晶的FS312等芯片，该方案电路对技术要求比较高，对电路中控制电路的参数需要优化好。因为这方案时间最早，经过一批一批工程师的不断学习调整，目前这种方案已比较成熟，大量使用在各种应该中，特别16串以上或特殊串数（比如：14串，15串，17串，19串，25串，30串等等）保护板都是采用此方案；

对于电流短路保护，通常以外部保护电路建成，如图二。

优点：成本最低，可快速实现任意串数保护板，一块保护板PCB可兼容多个串数的电池包；

缺点：元器件多，生产成本高，器件问题概率高；维修不便；

(图一）锂电池保护板 - 单芯片级联方案

（图二）常用短路保护电路

（2）3～5串芯片级联方案
该方案由过去的笔记本电池保护芯片，电动工具保护芯片改进而来，常用的芯片有：美之美的MM3474，理光的R5432，精工的S8254，BYD的BM3457，中颖的SH367003/SH367004等芯片，该方案器件较少，基于芯片原厂的参考电路，可快速的搭建保护板电路；

优点：器件较少，电路建立方便，无需考虑控制电路上的电阻/电容参数，参考原厂电路即可；
缺点：成本略高，受芯片3～5通道限制，很难实现一片电路PCB，支持不同串数选择。基本为1种板子只支持1种电池串数，不像单芯片方案那么灵活方便。

(图三）锂电池保护板 3～5串芯片级联方案

（3）8～16串单颗AFE集成芯片方案
该方案由1颗锂电池前端检测（AFE）芯片构成，内置所有保护机制及通讯接口，可独立构成保护板，也可和单片机（MCU）一起构成保护系统。比如凹凸科技的OZ8920/ OZ890，Rohm的ML5235 /ML5238， TI的 BQ76930 /BQ76940， Linear Tech 的LTC6803 /LTC6804 /LTC6811等，这种方案控制灵活，可实现更多控制策略，特别是在增加充电器检测电路和负载检测电路后，可实现过充/过放时，同时关闭充电MOS和放电MOS，避免电路保护后启动时MOS体二极管的大电流风险。

优点：电路简单，实现方便；可与MCU结合实现更多保护策略
缺点：成本最高；保护的电池串数由芯片决定，无法支持任意串数的设计，基本也是一个板子只支持一个电池串数。

（图四）单芯片集成方案

通过对几种不同类型保护电路方案的分析，我们基本可看到，不同方案的保护功能都是由原厂的保护芯片来决定，外围电路基于不同芯片从而有多有少。
由于应用的不同，保护板的电流有大有小（并联MOS有多有少），小的10A以下，大的甚至超过150A，因此不同功率的保护板，如购买不同功率的测试仪，成本将非常高。
对于保护芯片，在出厂时有做过通道电路，保护逻辑等测试，即只要芯片过充/过放的保护逻辑对，过流/短路的保护逻辑就对。因此对于我们生产测试保护板系统时，不必过度测试本身芯片已测试过的参数，以测试电路板回路100%覆盖率为参考(而不是以所有参数100%覆盖为参考），我们只需要测试与外围电路有关的功能即可，从而实现快速有效、低成本的测试。
比如：通过测试过充&过放的保护/释放功能，以检查外部输入通道是否导通，外部延迟电容是否有，外部充/放电MOS的控制回路是否工作正常，无需灌实际的大电流去再次验证回路的导通与否（研发时一定要测试，确认设计方案正确）；
基于这种考虑， GP518系列完全满足我们对保护板的功能测试需要，它支持测试保护板的电压过充/过放功能，支持外部过压（OV）检测电压和过放（UV）检测电压输入，检测的主要功能包括功率MOSFET导通/关闭功能、电池单体通道过压保护及释放功能、电池单体通道欠压保护及释放功能，和保护延迟时间功能，以避免延迟电容漏焊或焊错。
对于智能保护板（MCU板），GP518系列还提供了独特的16通道模拟电池输出功能，可实现任意单通道过压输出或欠压输出，方便用户对保护板进行定点功能模拟和分析。

（4）过流测试方案
前面提到保护板的电流有大有小，目前市面上的一些测试仪在大电流时非常昂贵，我们完全可以用一个简单方案来实现
首先，我们知道，设计保护板时，过流保护的保护阈值是由保护芯片定好的，我们能控制的只是选择一个高精度的电流检测电路（比如：1%精度，1个或几个5mΩ/10 mΩ电阻并联），因此，保护阈值V / 电流检测电阻R，即是过流的保护激活点。芯片是对的，电阻值也是对的，我们实际只需测试过流的保护功能即可（在此，我们无需重复测试芯片自身的参数-过流保护阈值，这在出厂时，厂家已有测试过）。
测试过流保护功能简图：选择大功率陶瓷电阻做为负载，先测试电池包电压，计算达到过流值的电阻值，比如：45A过流值，电池电压约为48V，为了触发过流保护，可设置电阻为0.8欧，观察电流表的值，超过过流保护值，看电流是否在一定时间（保护延迟时间）是否变为0A，如变为0A，认为有电流保护，否者认为无过流保护！
不同保护电流，可选择不同大功率的陶瓷电阻，成本非常低，可快速测试过流保护功能是否正常。

（5）快速简易短路测试方案
为保证安全，我们建议用63A家用2P空气开关加焊锡丝（做为保险丝）的方案来做，如下图，根据不同的电池容量，焊锡丝可绕为1～3股，万用表用于监测电压；初时，空开属于断开状态，当电路连接好后，上推空开，此时有3种情况：
第一种情况：空开推上，保险丝正常，电压表的值变为0V，==》说明短路保护功能正常工作；
第二种情况：空开推上，保险丝被烧断，电压表电压值还有，==》说明短路保护功能异常；
第三种情况：空开推不上，可能是保险丝绕太多，不融断，保护板短路保护没有及时保护。