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3.7V鋰電池保護板原理-鋰電池的主要和電壓標(biāo)準(zhǔn)分析-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-03-06 

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一、鋰離子電池的廣泛用途

發(fā)展高科技的目的是為了使其更好的服務(wù)于人類。鋰離子電池自1990年問世以來,因其卓越的性能得到了迅猛的發(fā)展,并廣泛地應(yīng)用于社會。鋰離子電池以其它電池所不可比擬的優(yōu)勢迅速占領(lǐng)了許多領(lǐng)域,象大家熟知的移動電話、筆記本電腦、小型攝像機等等,且越來越多的國家將該電池應(yīng)用于軍事用途。應(yīng)用表明,鋰離子電池是一種理想的小型綠色電源。


二、鋰離子電池的主要構(gòu)成

(1)電池蓋

(2)正極----活性物質(zhì)為氧化鈷鋰

(3)隔膜----一種特殊的復(fù)合膜

(4)負(fù)極----活性物質(zhì)為碳

(5)有機電解液

(6)電池殼


三、鋰離子電池的優(yōu)越性能

(1)工作電壓高

(2)比能量大

(3)循環(huán)壽命長

(4)自放電率低

(5)無記憶效應(yīng)

(6)無污染


四、鋰電池類型和容量選擇

首先要根據(jù)自己電機功率(需要實際功率,一般騎行速度會對應(yīng)一個相應(yīng)實際功率)來計算電池需要提供的持續(xù)電流。比如電機持續(xù)電流20a(48v下1000w電機),那么就需要電池可以長時間提供20a電流而溫升很低(哪怕夏季外面35度溫度,電池溫度也最好控制在50度以下)。另外如果48v下20a電流,超壓一倍(96v,比如ecpu3檔)后持續(xù)電流到50a左右。如果喜歡長時間超壓使用,那么請選用能持續(xù)提供50a電流的電池(還是注意溫升問題)。這里的電池持續(xù)電流不是商家標(biāo)稱的電池放電能力。商家標(biāo)稱幾C(或幾十幾百安培)都是電池放電能力,而真的在這種電流下放電,電池發(fā)熱很嚴(yán)重的,如果不做好散熱,電池壽命會很短。(而我們電動車使用電池環(huán)境是電池扎堆排放,基本不留空隙,包的很嚴(yán)實,更別提怎么做好強行風(fēng)冷散熱了)。我們的使用環(huán)境很惡劣。電池放電電流需降額使用。評價電池放電電流能力就是看這個電流下電池對應(yīng)溫升是多少。


這里論述的唯一原則其實是使用過程中電池的溫升(高溫是鋰電壽命死敵)。最好電池溫度控制在50度以下。(20-30度之間最好)。這也意味著如果是容量型鋰電(控制在0.5C以下放電),提供20a的持續(xù)放電電流需要40ah以上容量(當(dāng)然最主要是要看電池內(nèi)阻)。如果是動力型鋰電,按照1C持續(xù)放電是正常的。哪怕A123超低內(nèi)阻動力型鋰電,也平時最好在1C放電(不超過2C為好,2C放電其實只能放半個小時就沒電了,沒太大使用價值)。容量選擇就看車子存放空間大小,個人支出預(yù)算,期望車子活動范圍大小等因素。(小容量的一般必須動力型鋰電)


五、電池的篩選組裝

串聯(lián)使用鋰電的大忌是電池自放電嚴(yán)重不均衡。只要大家都一樣不均衡沒關(guān)系,問題是這種狀態(tài)是急不穩(wěn)定狀態(tài),好的電池自放電很小,要壞的電池自放電很大,自放電不小不大的狀態(tài)一般是由好轉(zhuǎn)壞的狀態(tài),這個過程是不穩(wěn)定的。所以需要把自放電大的電池篩選出來,只留自放電小的電池配組(一般合格品自放電都小,廠家是測量過的,問題是好多不合格品流入市場)。


在自放電小的基礎(chǔ)上,挑選容量相近的串聯(lián)。即使容量不相近也不會影響電池壽命,但是會影響整組電池的可用容量,比如15個容量是20ah,只1個是18ah,那么這組電池總?cè)萘恐荒苁?8ah。用到最后會是這個電池沒電了,保護板要保護了,整組電池電壓還比較高(因為其它15個電池電壓是正常的,還有電)。所以整組電池的放電保護電壓高低能看出整組電池容量是否一致(前提是整組電池滿電的時候必須每個電芯都充滿電了)。總之,容量高低不均衡不影響電池壽命,只是影響整組容量,所以盡量挑選容量相近的組裝。


組裝電池必須做到電極間良好的歐姆接觸電阻。就是電線和電極接觸電阻越小越好,否則接觸電阻大電極會發(fā)熱,這個熱量會順著電極傳遞給電芯內(nèi)部影響電池壽命。當(dāng)然組裝電阻大的表現(xiàn)就是同樣放電電流下電池組壓降大。(壓降一部分是電芯內(nèi)阻,一部分是組裝的接觸電阻和電線電阻)


六、保護板選擇及充放電使用事項

(數(shù)據(jù)針對磷酸鐵鋰電池,普通3.7v電池原理相同,只是數(shù)據(jù)不同)

保護板目的是用來保護電池防止過充電和過放電,防止大電流損壞電池,并且滿電時做電池電壓均衡(均衡能力一般都比較小,所以如果有自放電大的電芯保護板是很難均衡的,也有任何狀態(tài)都做均衡的保護板,就是從開始充電就做均衡,好像很少)。


為了電池組壽命,建議任何時候電池充電電壓都不要超過3.6v,意味著保護板保護動作電壓不高于3.6v,均衡電壓建議3.4v-3.5v(每個電芯3.4v已經(jīng)充進大于99%電量了,指的靜止?fàn)顟B(tài),大電流充電時電壓會升高)。電池放電保護電壓一般2.5v以上就可以(2v以上問題不大,一般很少有機會用到完全沒電,所以這個要求不高)。


充電器建議最高電壓(最后一步充電可以為最高恒壓充電模式)為3.5*串?dāng)?shù),比如16串的為56v左右。平時充電可以每節(jié)平均3.4v截止充電(基本充滿了),這樣電池壽命有保障,但是因為保護板還沒開始均衡,如果電芯有自放電大的,會隨著時間推移,表現(xiàn)為整組容量逐漸下降。所以還需要定期(比如每周)把電池每節(jié)充到3.5v-3.6v并保持幾個小時(只要平均大于均衡啟動電壓就可以了),自放電越大,均衡需要時間越長,自放電過大的電芯已經(jīng)很難均衡,需要剔除。所以挑選保護板的時候,盡量挑選3.6v過壓保護的,3.5v左右啟動均衡的。(市場上大部分是3.8v以上過壓保護,3.6v以上啟動均衡)。其實選擇合適均衡啟動電壓比保護電壓還重要,因為最高電壓可以靠調(diào)節(jié)充電器最高電壓限制(就是平時讓保護板沒機會做高壓保護),但如果均衡電壓高了,電池組沒機會均衡(除非充電電壓大于均衡電壓,但這樣影響電池壽命),電芯因自放電容量會慢慢下降(自放電為0的理想電芯是不存在的)。


保護板持續(xù)放電電流能力。這個是最不好評論的東西。因為單說保護板限流能力沒意義。比如一個75nf75管你讓它持續(xù)通過50a電流(這時發(fā)熱功率大概30w左右,同口板至少2個串聯(lián)60w),只要有散熱片足夠散熱是沒問題的。可以一直保持在50a甚至更高不燒管。但是你不能說這個保護板能持續(xù)50a電流。因為大家的保護板大多都放在電池盒里面和電池離的很近,甚至是近靠著。所以這么高溫度會導(dǎo)熱電池升溫,問題來了,高溫是電池的死敵。


所以保護板的使用環(huán)境決定了如何挑選限流大?。ǘ皇潜Wo板本身電流能力)。如果是把保護板從電池盒拿出來,那么幾乎隨便一個帶散熱片的保護板都能搞定50a持續(xù)電流甚至更高(這時只考慮保護板能力,不用擔(dān)心溫升給電芯帶來損害)。下面筆者說說大家常用環(huán)境,就是和電池在同一個密閉空間里。這時保護板的最大發(fā)熱功率最好控制在10w以下(如果是小保護板需要5w以下,大體積保護板可以10w以上,因為本身散熱好,溫度不會太高),至于多少合適,建議持續(xù)電流時整個板子最高溫度不超過60度(50度以下最好)。理論上保護板溫度越低越好,對電芯越?jīng)]影響。


同口板因為充電電mos串聯(lián),所以同樣情況比異口板發(fā)熱翻倍,為了相同發(fā)熱,只有管子數(shù)量高4倍(相同型號mos前提下)。 我們計算一下,假如50a持續(xù)電流,那么mos內(nèi)阻為2毫歐姆(需要5個75nf75管才能得到這個等效內(nèi)阻),發(fā)熱功率是50*50*0.002=5w。這時是可以的(其實2毫歐姆內(nèi)阻的mos電流能力100a以上都沒問題,但發(fā)熱大)。如果是同口板,需要4個2毫歐姆內(nèi)阻mos(每2個并聯(lián)內(nèi)阻為1毫歐姆,再串聯(lián),總內(nèi)阻等于2毫歐姆.如果用75管,需要總數(shù)量20只)。100a持續(xù)電流允許發(fā)熱功率10w的話,需要內(nèi)阻為1毫歐姆的管子(當(dāng)然可以通過mos并聯(lián)得到相同等效內(nèi)阻),如果異口板數(shù)量仍是4倍,如果100a持續(xù)電流仍最高允許5w發(fā)熱功率,那么只能用0.5毫歐姆管子,相對于50a持續(xù)電流需要數(shù)量4倍mos才能同樣發(fā)熱量)。所以在使用保護板時,為了降低溫度,選用內(nèi)阻小的板子,如果內(nèi)阻已經(jīng)確定那么請盡量讓板子和外界散熱好點。挑選保護板別聽賣家忽悠的持續(xù)多少電流能力,就問保護板放電回路總內(nèi)阻是多少就可以自己算了(問用的什么型號管子,用了多少數(shù)量,自己查內(nèi)阻計算)。筆者感覺如果真的在賣家標(biāo)稱持續(xù)電流下放電,保護板溫升應(yīng)該比較高。所以最好降額挑選保護板。(說50a持續(xù),你用到30a就好了,需要50a持續(xù)的,最好買80a標(biāo)稱持續(xù)的)。使用48v ecpu的用戶,建議選擇保護板總內(nèi)阻不大于2毫歐姆。


同口板和異口板區(qū)別:同口板是充放電同一根線,充電和放電都受保護。


異口板是充電線和放電線獨立,充電口只充電時保護過充,如果從充電口放電則不保護(但是完全能放電,不過充電口電流能力一般比較?。?。放電口是放電時保護過放,如果從放電口充電則不保護過充(所以ecpu的反充電對異口板來說是完全能用的。并且反充進的能量絕對比使用的少,所以不用擔(dān)心因反充電電池過充了。除非剛充滿電出門,立即是幾公里的下坡,這樣一直啟動eabs反充電真有可能把電池搞過充,這種情況基本不存在),不過正常使用充電絕對不能從放電口充電,除非自己一直監(jiān)控充電電壓(比如臨時路邊緊急大電流充電,可以從放電口充電,不需要充滿就繼續(xù)騎行,不用擔(dān)心過充)


算好你的電機最大持續(xù)電流,挑選合適容量或動力的電池能滿足這個持續(xù)電流而溫升得到控制,選保護板內(nèi)阻越小越好。保護板過流保護其實只需要短路保護等非正常使用保護就好了(千萬別想通過保護板限流來限制控制器或電機需要電流)。因為如果你電機需要50a電流,你非用保護板限流40a,會導(dǎo)致經(jīng)常保護,控制器突然斷電反而容易壞控制器。


七、鋰離子電池的電壓標(biāo)準(zhǔn)分析

(1)開路電壓:是指非工作狀態(tài)的鋰離子電池的電壓,此時,沒有電流流過,滿電時電池正負(fù)極之間的電勢差通常在3.7V左右,高的可達3.8V;


(2)與開路電壓相對應(yīng)的是工作電壓,即工作狀態(tài)時鋰離子電池的電壓,此時,有電流流過,因為要克服電流流過時的內(nèi)阻,所以,工作電壓總是低于滿電時的電壓;


(3)終止電壓:即電池放到一定電壓值后不宜再繼續(xù)放電,由鋰離子電池的結(jié)構(gòu)所決定,通常由于保護板作用,放電終止時電池的電壓在2.95V左右;


(4)標(biāo)準(zhǔn)電壓:從原理上講, 標(biāo)準(zhǔn)電壓又叫額定電壓,指電池正負(fù)極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成的電位差的標(biāo)準(zhǔn)值,鋰離子電池的額定電壓是3.7V,可見,標(biāo)準(zhǔn)電壓就是標(biāo)準(zhǔn)的工作電壓;


從上述四種鋰離子電池的電壓來看,工作狀態(tài)涉及到的鋰離子電池的電壓有標(biāo)準(zhǔn)電壓和工作電壓,非工作狀態(tài)時,鋰離子電池的電壓則處于開路電壓和終止電壓中,因為鋰離子電池的化學(xué)反應(yīng)可重復(fù)使用,因此,當(dāng)鋰離子電池的電壓處于終止電壓時,電池就要進行充電,長時間不充電就會導(dǎo)致電池的壽命降低甚至報廢。

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