微型投影机用锂电池组方案设计

王利平

摘 要：电子消费品微型便携化日趋发展，当前微型投影机市场火爆，而将锂电池组应用于微型投影机，提高其使用的便利性，正成为一大趋势，在这一领域，长城电源率先研发和制造，形成了技术储备。

关键词：锂电池组；微型投影机；18650电芯；3串2并；控制板保护电池模组

近来，投影机开始向着微型化的方向发展，便携式带来极大的方便性，用于产品介绍，临时的小型会议等。在这一基础上，又出现了新的需求，那就是待机功能，也即是在微型投影机内部配置一个电池模组，在不需要外接电源的情况下，可以供微型投影机使用约二个小时。这一功能的出现，使得微型投影机的应用更加便利，只需要提前对电池组充满电，就可以在各种场合下使用，特别是一些不方便接电源的场合，同时也使得现场不应长长的电源线而显得凌乱，现代商务气息更加浓厚。

一、电池组的设计

根据微型投影机系统的总体应用需求，对电池组提出如下要求：

（一）电池组的设计

投影机系统负载，电流在2A左右，电压范围9V-13V，待机需2小时左右。根据这项要求，核算出电池组的容量：2A*2H=4000mAh。考虑到成本和生产效率因素，采用通用型锂电池18650（聚合物需要定制，周期长，成本高）。18650电芯标准电压3.7V，常用容量2600mAh。根据以上对电压和容量的要求，可以算出；需要3个电芯串联，标准电压达到11.1V，最高12.6V，最低9V，满足电压的要求；需要再并联1组，容量达到5200mAh，满足容量的要求。即采用3串2并的共6节电芯搭配方案。

总结为：电池组为3串2并方案，标称电压11.1V，标称容量5200mAh。

（二）控制板的设计

由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此锂电池组需要一块控制板才能够安全地使用。基于微型投影机体积小和温度相对高的特点，控制板尺寸要尽可能小，并增加过温度保护功能。微型投影机待机工作时，系统需求电流正常为2A，最大为5A。总结上述要求，对控制板的功能设计要求如下：

1、过充保护功能，针对每节电芯，过充电压4.22V；

2、过放保护功能，针对每节电芯，过放电压2.75V；

3、短路保护功能，针对每节电芯；

4、过流保护功能，选择为最大电流的1.3倍，即6.8A；

5、过温度保护功能，针对电池组表面；

6、控制板尺寸要尽量小。

保护板通常包括控制IC、MOS开关、电阻、电容、NTC等。其中控制IC，在一切正常的情况下控制MOS开关导通，使电芯与外电路导通，而当电芯电压或回路电流超过规定值时，它立刻控制MOS开关关断，保护电芯的安全。

根据要求达到的五重保护功能，我们首先选择合适的控制IC。同样考虑到成本的限制，选择国内较为成熟的动力电池芯片控制IC-BM3451贴片式，该IC具有如上所有保护功能。

接下来依照控制IC应用说明绘制控制板电路图如下：

电路中MOS Q1～Q4的参数选择，其电流要留有余量，选择最大电流的2倍即10A，每个MOS 5A容量。R11的设计满足过流8A的要求，取10mΩ。NTC选择常见的10KΩ，温度设定在50度。以此设定各器件参数。输入端口为电池正负极B+＼B-和串联中间二个节点B2＼B1，输出端口为P+＼P-，输出端增加一个connector，方便与系统接线至此，电路设计完成，重新检查无误后LAYOUT 控制板。

（三）结构的设计

根据系统预留空间，考虑到电芯和PCB的固定可靠性，需要设计一个支架来固定。考虑将电芯靠在支架两侧，双面胶固定，PCB位置设计成卡口固定，外面再用套管套住，这样就能保证结构的稳定性了。

（四）电池模组的整体设计

支架的尺寸与控制板要一致，修正控制板的尺寸图，模拟组装没有问题后，控制板和支架就可以发出去打样板了。其它辅料稍作设计，也发出去打样。样品到齐后组装成品。半成品和成品效果图如下，对系统只有一个7PIN输出接口，整体还是比较美观。

二、电池模组的性能验证

准备5台完整样机，分别从电性能、结构性能、环境适应性、电磁兼容性四个方面进行验证。

（一）电性能测试

1、正常负载3A充电曲线

利用电池专用老化柜测试，以3A电流充电，从9V充电到12.6V，截至电流为100mA，观察充电

2、正常负载3A放电

利用电池专用老化柜测试，以3A放电，从12.6V开始，直到保护，样品#1放电容量为5115mAh，符合电芯规格（单节电芯2550～2650mAh）。放电曲线平滑，电压稳定下降，无异常。

3、正常负载3A保护功能测试

放电截止电压8.38V，即每节电芯2.8V，符合要求（2.75V+/-80mV）。充电截止电压12.76V，即每节电芯4.26V，符合要求（4.23V+/-40mV）。过温保护点50.6度，符合要求。

（二）环境适应性测试

在45℃±2℃、相对湿度为90%～95%的恒温恒湿箱中搁置12h，取出后在环境温度25±2℃的条件下搁置2h， 后再对产品的性能进行测试。在循环过程中，电池未爆炸，起火或者有电解液漏出，实验完成后各性能正常，符合要求。

（三）结构可靠性测试

在15分钟内从7Hz至200Hz完成一次往复对数扫频正弦振动，3小时内完成三维方向振动12次。实验结束后，检查外观应无明显损伤、漏液、冒烟或爆炸，功能正常。

（四）电磁兼容测试

按照EN55022信息技术设备辐射标准进行，辐射裕量超过6Db，效果很好。

三、电池模组的批量制造和测试

经过设计验证后，表明产品符合规格要求，满足批量生产条件。接下来要规划生产和测试流程，保证批量一致性。

（一）控制板的加工

采用锡膏工艺，全自动贴片生产，后用AOI检验，能够很好地保证品质。

（二）控制板测试

专门购置三串锂电池保护板测试仪，全面测试各项保护功能。

（三）电芯分选

由于是电芯是3串的，如果其中一节电芯特性差异较大，会影响整个电池组性能，故而先需对电芯进行参数分选，按照电压、内阻进行分类，将参数一致的电芯组合在一起。

（四）电芯点焊

用镍带将6节电芯连接，用点焊的方式进行，检查拉力达到2.8Kgf，保证可靠焊接。

（五）焊接电芯和控制板

将电芯和控制板装入支架，用线焊接两端，组成电池模组。

（六）初测

对电池模组的输出功能做初步测试，包括：输出电压、输出电流、过流保护、短路保护。

（七）老化循环

这是最重要的一项检测，需要对电池模组进行完整的充放电循环测试，确认电池的充电过程、放电过程的稳定性，电压、电流、容量等参数的符合性，同时也检验了其可靠性。一般新品老化二个循环，随后逐步减少。

（八）终测

是对电池模组的最终检测，测试项目与初测一致，同时确认在老化后是否有电性漂移。

（九）包装

检测合格的电池模组就可以正常包装了，这一步根据客户最终的一些包装要求进行，包括如何标示，外观要求等。至此，就完成了整个产品的制造。

四、结论

经过三个月的努力，微型投影机用3串2并锂电池模组的方案完成了设计和制造流程准备，经过测试产品性能稳定，制造流程顺畅，完全具备了大批量生产的条件。截止本文完稿时，该产品已经连续生产10K，没有批量性异常不良，且在客户端反馈良好。这是一个比较成功的锂电池模组方案设计，为后续的相关产品方案设计提供了宝贵的方法和经验数据。

致谢

感谢长城移动电源部研发、技术、生产、质量和采购人员的大力协助，特别是直接参与方案设计的技术骨干人员：胡聪、张伟扬、黄长海，对各位的协助表示由衷谢意。