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3.7V锂电池保护板原理-锂电池的主要和电压标准分析-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-03-06 

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一、锂离子电池的广泛用途

发展高科技的目的是为了使其更好的服务于人类。锂离子电池自1990年问世以来,因其卓越的性能得到了迅猛的发展,并广泛地应用于社会。锂离子电池以其它电池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域,象大家熟知的移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等等,且越来越多的国家将该电池应用于军事用途。应用表明,锂离子电池是一种理想的小型绿色电源。


二、锂离子电池的主要构成

(1)电池盖

(2)正极----活性物质为氧化钴锂

(3)隔膜----一种特殊的复合膜

(4)负极----活性物质为碳

(5)有机电解液

(6)电池壳


三、锂离子电池的优越性能

(1)工作电压高

(2)比能量大

(3)循环寿命长

(4)自放电率低

(5)无记忆效应

(6)无污染


四、锂电池类型和容量选择

首先要根据自己电机功率(需要实际功率,一般骑行速度会对应一个相应实际功率)来计算电池需要提供的持续电流。比如电机持续电流20a(48v下1000w电机),那么就需要电池可以长时间提供20a电流而温升很低(哪怕夏季外面35度温度,电池温度也最好控制在50度以下)。另外如果48v下20a电流,超压一倍(96v,比如ecpu3档)后持续电流到50a左右。如果喜欢长时间超压使用,那么请选用能持续提供50a电流的电池(还是注意温升问题)。这里的电池持续电流不是商家标称的电池放电能力。商家标称几C(或几十几百安培)都是电池放电能力,而真的在这种电流下放电,电池发热很严重的,如果不做好散热,电池寿命会很短。(而我们电动车使用电池环境是电池扎堆排放,基本不留空隙,包的很严实,更别提怎么做好强行风冷散热了)。我们的使用环境很恶劣。电池放电电流需降额使用。评价电池放电电流能力就是看这个电流下电池对应温升是多少。


这里论述的唯一原则其实是使用过程中电池的温升(高温是锂电寿命死敌)。最好电池温度控制在50度以下。(20-30度之间最好)。这也意味着如果是容量型锂电(控制在0.5C以下放电),提供20a的持续放电电流需要40ah以上容量(当然最主要是要看电池内阻)。如果是动力型锂电,按照1C持续放电是正常的。哪怕A123超低内阻动力型锂电,也平时最好在1C放电(不超过2C为好,2C放电其实只能放半个小时就没电了,没太大使用价值)。容量选择就看车子存放空间大小,个人支出预算,期望车子活动范围大小等因素。(小容量的一般必须动力型锂电)


五、电池的筛选组装

串联使用锂电的大忌是电池自放电严重不均衡。只要大家都一样不均衡没关系,问题是这种状态是急不稳定状态,好的电池自放电很小,要坏的电池自放电很大,自放电不小不大的状态一般是由好转坏的状态,这个过程是不稳定的。所以需要把自放电大的电池筛选出来,只留自放电小的电池配组(一般合格品自放电都小,厂家是测量过的,问题是好多不合格品流入市场)。


在自放电小的基础上,挑选容量相近的串联。即使容量不相近也不会影响电池寿命,但是会影响整组电池的可用容量,比如15个容量是20ah,只1个是18ah,那么这组电池总容量只能是18ah。用到最后会是这个电池没电了,保护板要保护了,整组电池电压还比较高(因为其它15个电池电压是正常的,还有电)。所以整组电池的放电保护电压高低能看出整组电池容量是否一致(前提是整组电池满电的时候必须每个电芯都充满电了)。总之,容量高低不均衡不影响电池寿命,只是影响整组容量,所以尽量挑选容量相近的组装。


组装电池必须做到电极间良好的欧姆接触电阻。就是电线和电极接触电阻越小越好,否则接触电阻大电极会发热,这个热量会顺着电极传递给电芯内部影响电池寿命。当然组装电阻大的表现就是同样放电电流下电池组压降大。(压降一部分是电芯内阻,一部分是组装的接触电阻和电线电阻)


六、保护板选择及充放电使用事项

(数据针对磷酸铁锂电池,普通3.7v电池原理相同,只是数据不同)

保护板目的是用来保护电池防止过充电和过放电,防止大电流损坏电池,并且满电时做电池电压均衡(均衡能力一般都比较小,所以如果有自放电大的电芯保护板是很难均衡的,也有任何状态都做均衡的保护板,就是从开始充电就做均衡,好像很少)。


为了电池组寿命,建议任何时候电池充电电压都不要超过3.6v,意味着保护板保护动作电压不高于3.6v,均衡电压建议3.4v-3.5v(每个电芯3.4v已经充进大于99%电量了,指的静止状态,大电流充电时电压会升高)。电池放电保护电压一般2.5v以上就可以(2v以上问题不大,一般很少有机会用到完全没电,所以这个要求不高)。


充电器建议最高电压(最后一步充电可以为最高恒压充电模式)为3.5*串数,比如16串的为56v左右。平时充电可以每节平均3.4v截止充电(基本充满了),这样电池寿命有保障,但是因为保护板还没开始均衡,如果电芯有自放电大的,会随着时间推移,表现为整组容量逐渐下降。所以还需要定期(比如每周)把电池每节充到3.5v-3.6v并保持几个小时(只要平均大于均衡启动电压就可以了),自放电越大,均衡需要时间越长,自放电过大的电芯已经很难均衡,需要剔除。所以挑选保护板的时候,尽量挑选3.6v过压保护的,3.5v左右启动均衡的。(市场上大部分是3.8v以上过压保护,3.6v以上启动均衡)。其实选择合适均衡启动电压比保护电压还重要,因为最高电压可以靠调节充电器最高电压限制(就是平时让保护板没机会做高压保护),但如果均衡电压高了,电池组没机会均衡(除非充电电压大于均衡电压,但这样影响电池寿命),电芯因自放电容量会慢慢下降(自放电为0的理想电芯是不存在的)。


保护板持续放电电流能力。这个是最不好评论的东西。因为单说保护板限流能力没意义。比如一个75nf75管你让它持续通过50a电流(这时发热功率大概30w左右,同口板至少2个串联60w),只要有散热片足够散热是没问题的。可以一直保持在50a甚至更高不烧管。但是你不能说这个保护板能持续50a电流。因为大家的保护板大多都放在电池盒里面和电池离的很近,甚至是近靠着。所以这么高温度会导热电池升温,问题来了,高温是电池的死敌。


所以保护板的使用环境决定了如何挑选限流大小(而不是保护板本身电流能力)。如果是把保护板从电池盒拿出来,那么几乎随便一个带散热片的保护板都能搞定50a持续电流甚至更高(这时只考虑保护板能力,不用担心温升给电芯带来损害)。下面笔者说说大家常用环境,就是和电池在同一个密闭空间里。这时保护板的最大发热功率最好控制在10w以下(如果是小保护板需要5w以下,大体积保护板可以10w以上,因为本身散热好,温度不会太高),至于多少合适,建议持续电流时整个板子最高温度不超过60度(50度以下最好)。理论上保护板温度越低越好,对电芯越没影响。


同口板因为充电电mos串联,所以同样情况比异口板发热翻倍,为了相同发热,只有管子数量高4倍(相同型号mos前提下)。 我们计算一下,假如50a持续电流,那么mos内阻为2毫欧姆(需要5个75nf75管才能得到这个等效内阻),发热功率是50*50*0.002=5w。这时是可以的(其实2毫欧姆内阻的mos电流能力100a以上都没问题,但发热大)。如果是同口板,需要4个2毫欧姆内阻mos(每2个并联内阻为1毫欧姆,再串联,总内阻等于2毫欧姆.如果用75管,需要总数量20只)。100a持续电流允许发热功率10w的话,需要内阻为1毫欧姆的管子(当然可以通过mos并联得到相同等效内阻),如果异口板数量仍是4倍,如果100a持续电流仍最高允许5w发热功率,那么只能用0.5毫欧姆管子,相对于50a持续电流需要数量4倍mos才能同样发热量)。所以在使用保护板时,为了降低温度,选用内阻小的板子,如果内阻已经确定那么请尽量让板子和外界散热好点。挑选保护板别听卖家忽悠的持续多少电流能力,就问保护板放电回路总内阻是多少就可以自己算了(问用的什么型号管子,用了多少数量,自己查内阻计算)。笔者感觉如果真的在卖家标称持续电流下放电,保护板温升应该比较高。所以最好降额挑选保护板。(说50a持续,你用到30a就好了,需要50a持续的,最好买80a标称持续的)。使用48v ecpu的用户,建议选择保护板总内阻不大于2毫欧姆。


同口板和异口板区别:同口板是充放电同一根线,充电和放电都受保护。


异口板是充电线和放电线独立,充电口只充电时保护过充,如果从充电口放电则不保护(但是完全能放电,不过充电口电流能力一般比较小)。放电口是放电时保护过放,如果从放电口充电则不保护过充(所以ecpu的反充电对异口板来说是完全能用的。并且反充进的能量绝对比使用的少,所以不用担心因反充电电池过充了。除非刚充满电出门,立即是几公里的下坡,这样一直启动eabs反充电真有可能把电池搞过充,这种情况基本不存在),不过正常使用充电绝对不能从放电口充电,除非自己一直监控充电电压(比如临时路边紧急大电流充电,可以从放电口充电,不需要充满就继续骑行,不用担心过充)


算好你的电机最大持续电流,挑选合适容量或动力的电池能满足这个持续电流而温升得到控制,选保护板内阻越小越好。保护板过流保护其实只需要短路保护等非正常使用保护就好了(千万别想通过保护板限流来限制控制器或电机需要电流)。因为如果你电机需要50a电流,你非用保护板限流40a,会导致经常保护,控制器突然断电反而容易坏控制器。


七、锂离子电池的电压标准分析

(1)开路电压:是指非工作状态的锂离子电池的电压,此时,没有电流流过,满电时电池正负极之间的电势差通常在3.7V左右,高的可达3.8V;


(2)与开路电压相对应的是工作电压,即工作状态时锂离子电池的电压,此时,有电流流过,因为要克服电流流过时的内阻,所以,工作电压总是低于满电时的电压;


(3)终止电压:即电池放到一定电压值后不宜再继续放电,由锂离子电池的结构所决定,通常由于保护板作用,放电终止时电池的电压在2.95V左右;


(4)标准电压:从原理上讲, 标准电压又叫额定电压,指电池正负极材料发生化学反应造成的电位差的标准值,锂离子电池的额定电压是3.7V,可见,标准电压就是标准的工作电压;


从上述四种锂离子电池的电压来看,工作状态涉及到的锂离子电池的电压有标准电压和工作电压,非工作状态时,锂离子电池的电压则处于开路电压和终止电压中,因为锂离子电池的化学反应可重复使用,因此,当锂离子电池的电压处于终止电压时,电池就要进行充电,长时间不充电就会导致电池的寿命降低甚至报废。

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