微型投影機用鋰電池組方案設計

王利平

摘 要：電子消費品微型便攜化日趨發展，當前微型投影機市場火爆，而將鋰電池組應用于微型投影機，提高其使用的便利性，正成為一大趨勢，在這一領域，長城電源率先研發和制造，形成了技術儲備。

關鍵詞：鋰電池組；微型投影機；18650電芯；3串2并；控制板保護電池模組

近來，投影機開始向著微型化的方向發展，便攜式帶來極大的方便性，用于產品介紹，臨時的小型會議等。在這一基礎上，又出現了新的需求，那就是待機功能，也即是在微型投影機內部配置一個電池模組，在不需要外接電源的情況下，可以供微型投影機使用約二個小時。這一功能的出現，使得微型投影機的應用更加便利，只需要提前對電池組充滿電，就可以在各種場合下使用，特別是一些不方便接電源的場合，同時也使得現場不應長長的電源線而顯得凌亂，現代商務氣息更加濃厚。

一、電池組的設計

根據微型投影機系統的總體應用需求，對電池組提出如下要求：

（一）電池組的設計

投影機系統負載，電流在2A左右，電壓范圍9V-13V，待機需2小時左右。根據這項要求，核算出電池組的容量：2A*2H=4000mAh?？紤]到成本和生產效率因素，采用通用型鋰電池18650（聚合物需要定制，周期長，成本高）。18650電芯標準電壓3.7V，常用容量2600mAh。根據以上對電壓和容量的要求，可以算出；需要3個電芯串聯，標準電壓達到11.1V，最高12.6V，最低9V，滿足電壓的要求；需要再并聯1組，容量達到5200mAh，滿足容量的要求。即采用3串2并的共6節電芯搭配方案。

總結為：電池組為3串2并方案，標稱電壓11.1V，標稱容量5200mAh。

（二）控制板的設計

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體積小和溫度相對高的特點，控制板尺寸要盡可能小，并增加過溫度保護功能。微型投影機待機工作時，系統需求電流正常為2A，最大為5A?？偨Y上述要求，對控制板的功能設計要求如下：

1、過充保護功能，針對每節電芯，過充電壓4.22V；

2、過放保護功能，針對每節電芯，過放電壓2.75V；

3、短路保護功能，針對每節電芯；

4、過流保護功能，選擇為最大電流的1.3倍，即6.8A；

5、過溫度保護功能，針對電池組表面；

6、控制板尺寸要盡量小。

保護板通常包括控制IC、MOS開關、電阻、電容、NTC等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開關導通，使電芯與外電路導通，而當電芯電壓或回路電流超過規定值時，它立刻控制MOS開關關斷，保護電芯的安全。

根據要求達到的五重保護功能，我們首先選擇合適的控制IC。同樣考慮到成本的限制，選擇國內較為成熟的動力電池芯片控制IC-BM3451貼片式，該IC具有如上所有保護功能。

接下來依照控制IC應用說明繪制控制板電路圖如下：

電路中MOS Q1～Q4的參數選擇，其電流要留有余量，選擇最大電流的2倍即10A，每個MOS 5A容量。R11的設計滿足過流8A的要求，取10mΩ。NTC選擇常見的10KΩ，溫度設定在50度。以此設定各器件參數。輸入端口為電池正負極B+＼B-和串聯中間二個節點B2＼B1，輸出端口為P+＼P-，輸出端增加一個connector，方便與系統接線至此，電路設計完成，重新檢查無誤后LAYOUT 控制板。

（三）結構的設計

根據系統預留空間，考慮到電芯和PCB的固定可靠性，需要設計一個支架來固定?？紤]將電芯靠在支架兩側，雙面膠固定，PCB位置設計成卡口固定，外面再用套管套住，這樣就能保證結構的穩定性了。

（四）電池模組的整體設計

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出去打樣板了。其它輔料稍作設計，也發出去打樣。樣品到齊后組裝成品。半成品和成品效果圖如下，對系統只有一個7PIN輸出接口，整體還是比較美觀。

二、電池模組的性能驗證

準備5臺完整樣機，分別從電性能、結構性能、環境適應性、電磁兼容性四個方面進行驗證。

（一）電性能測試

1、正常負載3A充電曲線

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

2、正常負載3A放電

利用電池專用老化柜測試，以3A放電，從12.6V開始，直到保護，樣品#1放電容量為5115mAh，符合電芯規格（單節電芯2550～2650mAh）。放電曲線平滑，電壓穩定下降，無異常。

3、正常負載3A保護功能測試

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

（二）環境適應性測試

在45℃±2℃、相對濕度為90%～95%的恒溫恒濕箱中擱置12h，取出后在環境溫度25±2℃的條件下擱置2h， 后再對產品的性能進行測試。在循環過程中，電池未爆炸，起火或者有電解液漏出，實驗完成后各性能正常，符合要求。

（三）結構可靠性測試

在15分鐘內從7Hz至200Hz完成一次往復對數掃頻正弦振動，3小時內完成三維方向振動12次。實驗結束后，檢查外觀應無明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸，功能正常。

（四）電磁兼容測試

按照EN55022信息技術設備輻射標準進行，輻射裕量超過6Db，效果很好。

三、電池模組的批量制造和測試

經過設計驗證后，表明產品符合規格要求，滿足批量生產條件。接下來要規劃生產和測試流程，保證批量一致性。

（一）控制板的加工

采用錫膏工藝，全自動貼片生產，后用AOI檢驗，能夠很好地保證品質。

（二）控制板測試

專門購置三串鋰電池保護板測試儀，全面測試各項保護功能。

（三）電芯分選

由于是電芯是3串的，如果其中一節電芯特性差異較大，會影響整個電池組性能，故而先需對電芯進行參數分選，按照電壓、內阻進行分類，將參數一致的電芯組合在一起。

（四）電芯點焊

用鎳帶將6節電芯連接，用點焊的方式進行，檢查拉力達到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

對電池模組的輸出功能做初步測試，包括：輸出電壓、輸出電流、過流保護、短路保護。

（七）老化循環

這是最重要的一項檢測，需要對電池模組進行完整的充放電循環測試，確認電池的充電過程、放電過程的穩定性，電壓、電流、容量等參數的符合性，同時也檢驗了其可靠性。一般新品老化二個循環，隨后逐步減少。

（八）終測

是對電池模組的最終檢測，測試項目與初測一致，同時確認在老化后是否有電性漂移。

（九）包裝

檢測合格的電池模組就可以正常包裝了，這一步根據客戶最終的一些包裝要求進行，包括如何標示，外觀要求等。至此，就完成了整個產品的制造。

四、結論

經過三個月的努力，微型投影機用3串2并鋰電池模組的方案完成了設計和制造流程準備，經過測試產品性能穩定，制造流程順暢，完全具備了大批量生產的條件。截止本文完稿時，該產品已經連續生產10K，沒有批量性異常不良，且在客戶端反饋良好。這是一個比較成功的鋰電池模組方案設計，為后續的相關產品方案設計提供了寶貴的方法和經驗數據。

致謝

感謝長城移動電源部研發、技術、生產、質量和采購人員的大力協助，特別是直接參與方案設計的技術骨干人員：胡聰、張偉揚、黃長海，對各位的協助表示由衷謝意。