微型投影機(jī)用鋰電池組方案設(shè)計(jì)

王利平

摘 要：電子消費(fèi)品微型便攜化日趨發(fā)展，當(dāng)前微型投影機(jī)市場(chǎng)火爆，而將鋰電池組應(yīng)用于微型投影機(jī)，提高其使用的便利性，正成為一大趨勢(shì)，在這一領(lǐng)域，長(zhǎng)城電源率先研發(fā)和制造，形成了技術(shù)儲(chǔ)備。

關(guān)鍵詞：鋰電池組；微型投影機(jī)；18650電芯；3串2并；控制板保護(hù)電池模組

近來，投影機(jī)開始向著微型化的方向發(fā)展，便攜式帶來極大的方便性，用于產(chǎn)品介紹，臨時(shí)的小型會(huì)議等。在這一基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了新的需求，那就是待機(jī)功能，也即是在微型投影機(jī)內(nèi)部配置一個(gè)電池模組，在不需要外接電源的情況下，可以供微型投影機(jī)使用約二個(gè)小時(shí)。這一功能的出現(xiàn)，使得微型投影機(jī)的應(yīng)用更加便利，只需要提前對(duì)電池組充滿電，就可以在各種場(chǎng)合下使用，特別是一些不方便接電源的場(chǎng)合，同時(shí)也使得現(xiàn)場(chǎng)不應(yīng)長(zhǎng)長(zhǎng)的電源線而顯得凌亂，現(xiàn)代商務(wù)氣息更加濃厚。

一、電池組的設(shè)計(jì)

根據(jù)微型投影機(jī)系統(tǒng)的總體應(yīng)用需求，對(duì)電池組提出如下要求：

（一）電池組的設(shè)計(jì)

投影機(jī)系統(tǒng)負(fù)載，電流在2A左右，電壓范圍9V-13V，待機(jī)需2小時(shí)左右。根據(jù)這項(xiàng)要求，核算出電池組的容量：2A*2H=4000mAh?？紤]到成本和生產(chǎn)效率因素，采用通用型鋰電池18650（聚合物需要定制，周期長(zhǎng)，成本高）。18650電芯標(biāo)準(zhǔn)電壓3.7V，常用容量2600mAh。根據(jù)以上對(duì)電壓和容量的要求，可以算出；需要3個(gè)電芯串聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)電壓達(dá)到11.1V，最高12.6V，最低9V，滿足電壓的要求；需要再并聯(lián)1組，容量達(dá)到5200mAh，滿足容量的要求。即采用3串2并的共6節(jié)電芯搭配方案。

總結(jié)為：電池組為3串2并方案，標(biāo)稱電壓11.1V，標(biāo)稱容量5200mAh。

（二）控制板的設(shè)計(jì)

由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，因此鋰電池組需要一塊控制板才能夠安全地使用?；谖⑿屯队皺C(jī)體積小和溫度相對(duì)高的特點(diǎn)，控制板尺寸要盡可能小，并增加過溫度保護(hù)功能。微型投影機(jī)待機(jī)工作時(shí)，系統(tǒng)需求電流正常為2A，最大為5A?？偨Y(jié)上述要求，對(duì)控制板的功能設(shè)計(jì)要求如下：

1、過充保護(hù)功能，針對(duì)每節(jié)電芯，過充電壓4.22V；

2、過放保護(hù)功能，針對(duì)每節(jié)電芯，過放電壓2.75V；

3、短路保護(hù)功能，針對(duì)每節(jié)電芯；

4、過流保護(hù)功能，選擇為最大電流的1.3倍，即6.8A；

5、過溫度保護(hù)功能，針對(duì)電池組表面；

6、控制板尺寸要盡量小。

保護(hù)板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、電阻、電容、NTC等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開關(guān)導(dǎo)通，使電芯與外電路導(dǎo)通，而當(dāng)電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時(shí)，它立刻控制MOS開關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。

根據(jù)要求達(dá)到的五重保護(hù)功能，我們首先選擇合適的控制IC。同樣考慮到成本的限制，選擇國(guó)內(nèi)較為成熟的動(dòng)力電池芯片控制IC-BM3451貼片式，該IC具有如上所有保護(hù)功能。

接下來依照控制IC應(yīng)用說明繪制控制板電路圖如下：

電路中MOS Q1～Q4的參數(shù)選擇，其電流要留有余量，選擇最大電流的2倍即10A，每個(gè)MOS 5A容量。R11的設(shè)計(jì)滿足過流8A的要求，取10mΩ。NTC選擇常見的10KΩ，溫度設(shè)定在50度。以此設(shè)定各器件參數(shù)。輸入端口為電池正負(fù)極B+＼B-和串聯(lián)中間二個(gè)節(jié)點(diǎn)B2＼B1，輸出端口為P+＼P-，輸出端增加一個(gè)connector，方便與系統(tǒng)接線至此，電路設(shè)計(jì)完成，重新檢查無(wú)誤后LAYOUT 控制板。

（三）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)預(yù)留空間，考慮到電芯和PCB的固定可靠性，需要設(shè)計(jì)一個(gè)支架來固定?？紤]將電芯靠在支架兩側(cè)，雙面膠固定，PCB位置設(shè)計(jì)成卡口固定，外面再用套管套住，這樣就能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性了。

（四）電池模組的整體設(shè)計(jì)

支架的尺寸與控制板要一致，修正控制板的尺寸圖，模擬組裝沒有問題后，控制板和支架就可以發(fā)出去打樣板了。其它輔料稍作設(shè)計(jì)，也發(fā)出去打樣。樣品到齊后組裝成品。半成品和成品效果圖如下，對(duì)系統(tǒng)只有一個(gè)7PIN輸出接口，整體還是比較美觀。

二、電池模組的性能驗(yàn)證

準(zhǔn)備5臺(tái)完整樣機(jī)，分別從電性能、結(jié)構(gòu)性能、環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性四個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。

（一）電性能測(cè)試

1、正常負(fù)載3A充電曲線

利用電池專用老化柜測(cè)試，以3A電流充電，從9V充電到12.6V，截至電流為100mA，觀察充電

2、正常負(fù)載3A放電

利用電池專用老化柜測(cè)試，以3A放電，從12.6V開始，直到保護(hù)，樣品#1放電容量為5115mAh，符合電芯規(guī)格（單節(jié)電芯2550～2650mAh）。放電曲線平滑，電壓穩(wěn)定下降，無(wú)異常。

3、正常負(fù)載3A保護(hù)功能測(cè)試

放電截止電壓8.38V，即每節(jié)電芯2.8V，符合要求（2.75V+/-80mV）。充電截止電壓12.76V，即每節(jié)電芯4.26V，符合要求（4.23V+/-40mV）。過溫保護(hù)點(diǎn)50.6度，符合要求。

（二）環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試

在45℃±2℃、相對(duì)濕度為90%～95%的恒溫恒濕箱中擱置12h，取出后在環(huán)境溫度25±2℃的條件下擱置2h， 后再對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行測(cè)試。在循環(huán)過程中，電池未爆炸，起火或者有電解液漏出，實(shí)驗(yàn)完成后各性能正常，符合要求。

（三）結(jié)構(gòu)可靠性測(cè)試

在15分鐘內(nèi)從7Hz至200Hz完成一次往復(fù)對(duì)數(shù)掃頻正弦振動(dòng)，3小時(shí)內(nèi)完成三維方向振動(dòng)12次。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，檢查外觀應(yīng)無(wú)明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸，功能正常。

（四）電磁兼容測(cè)試

按照EN55022信息技術(shù)設(shè)備輻射標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，輻射裕量超過6Db，效果很好。

三、電池模組的批量制造和測(cè)試

經(jīng)過設(shè)計(jì)驗(yàn)證后，表明產(chǎn)品符合規(guī)格要求，滿足批量生產(chǎn)條件。接下來要規(guī)劃生產(chǎn)和測(cè)試流程，保證批量一致性。

（一）控制板的加工

采用錫膏工藝，全自動(dòng)貼片生產(chǎn)，后用AOI檢驗(yàn)，能夠很好地保證品質(zhì)。

（二）控制板測(cè)試

專門購(gòu)置三串鋰電池保護(hù)板測(cè)試儀，全面測(cè)試各項(xiàng)保護(hù)功能。

（三）電芯分選

由于是電芯是3串的，如果其中一節(jié)電芯特性差異較大，會(huì)影響整個(gè)電池組性能，故而先需對(duì)電芯進(jìn)行參數(shù)分選，按照電壓、內(nèi)阻進(jìn)行分類，將參數(shù)一致的電芯組合在一起。

（四）電芯點(diǎn)焊

用鎳帶將6節(jié)電芯連接，用點(diǎn)焊的方式進(jìn)行，檢查拉力達(dá)到2.8Kgf，保證可靠焊接。

（五）焊接電芯和控制板

將電芯和控制板裝入支架，用線焊接兩端，組成電池模組。

（六）初測(cè)

對(duì)電池模組的輸出功能做初步測(cè)試，包括：輸出電壓、輸出電流、過流保護(hù)、短路保護(hù)。

（七）老化循環(huán)

這是最重要的一項(xiàng)檢測(cè)，需要對(duì)電池模組進(jìn)行完整的充放電循環(huán)測(cè)試，確認(rèn)電池的充電過程、放電過程的穩(wěn)定性，電壓、電流、容量等參數(shù)的符合性，同時(shí)也檢驗(yàn)了其可靠性。一般新品老化二個(gè)循環(huán)，隨后逐步減少。

（八）終測(cè)

是對(duì)電池模組的最終檢測(cè)，測(cè)試項(xiàng)目與初測(cè)一致，同時(shí)確認(rèn)在老化后是否有電性漂移。

（九）包裝

檢測(cè)合格的電池模組就可以正常包裝了，這一步根據(jù)客戶最終的一些包裝要求進(jìn)行，包括如何標(biāo)示，外觀要求等。至此，就完成了整個(gè)產(chǎn)品的制造。

四、結(jié)論

經(jīng)過三個(gè)月的努力，微型投影機(jī)用3串2并鋰電池模組的方案完成了設(shè)計(jì)和制造流程準(zhǔn)備，經(jīng)過測(cè)試產(chǎn)品性能穩(wěn)定，制造流程順暢，完全具備了大批量生產(chǎn)的條件。截止本文完稿時(shí)，該產(chǎn)品已經(jīng)連續(xù)生產(chǎn)10K，沒有批量性異常不良，且在客戶端反饋良好。這是一個(gè)比較成功的鋰電池模組方案設(shè)計(jì)，為后續(xù)的相關(guān)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)提供了寶貴的方法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

致謝

感謝長(zhǎng)城移動(dòng)電源部研發(fā)、技術(shù)、生產(chǎn)、質(zhì)量和采購(gòu)人員的大力協(xié)助，特別是直接參與方案設(shè)計(jì)的技術(shù)骨干人員：胡聰、張偉揚(yáng)、黃長(zhǎng)海，對(duì)各位的協(xié)助表示由衷謝意。