3.7V鋰電池保護板原理-鋰電池的主要和電壓標準分析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-03-06
發(fā)展高科技的目的是為了使其更好的服務(wù)于人類(lèi)。鋰離子電池自1990年問(wèn)世以來(lái)，因其卓越的性能得到了迅猛的發(fā)展，并廣泛地應用于社會(huì )。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(dòng)電話(huà)、筆記本電腦、小型攝像機等等，且越來(lái)越多的國家將該電池應用于軍事用途。應用表明，鋰離子電池是一種理想的小型綠色電源。
（1）電池蓋
（2）正極----活性物質(zhì)為氧化鈷鋰
（3）隔膜----一種特殊的復合膜
（4）負極----活性物質(zhì)為碳
（5）有機電解液
（6）電池殼
（1）工作電壓高
（2）比能量大
（3）循環(huán)壽命長(cháng)
（4）自放電率低
（5）無(wú)記憶效應
（6）無(wú)污染
首先要根據自己電機功率（需要實(shí)際功率，一般騎行速度會(huì )對應一個(gè)相應實(shí)際功率）來(lái)計算電池需要提供的持續電流。比如電機持續電流20a（48v下1000w電機），那么就需要電池可以長(cháng)時(shí)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）后持續電流到50a左右。如果喜歡長(cháng)時(shí)間超壓使用，那么請選用能持續提供50a電流的電池（還是注意溫升問(wèn)題）。這里的電池持續電流不是商家標稱(chēng)的電池放電能力。商家標稱(chēng)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?chē)乐氐模绻蛔龊蒙幔姵貕勖鼤?huì )很短。（而我們電動(dòng)車(chē)使用電池環(huán)境是電池扎堆排放，基本不留空隙，包的很?chē)缹?shí)，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(jià)電池放電電流能力就是看這個(gè)電流下電池對應溫升是多少。
這里論述的唯一原則其實(shí)是使用過(guò)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(zhù)如果是容量型鋰電（控制在0.5C以下放電），提供20a的持續放電電流需要40ah以上容量（當然最主要是要看電池內阻）。如果是動(dòng)力型鋰電，按照1C持續放電是正常的。哪怕A123超低內阻動(dòng)力型鋰電，也平時(shí)最好在1C放電（不超過(guò)2C為好，2C放電其實(shí)只能放半個(gè)小時(shí)就沒(méi)電了，沒(méi)太大使用價(jià)值）。容量選擇就看車(chē)子存放空間大小，個(gè)人支出預算，期望車(chē)子活動(dòng)范圍大小等因素。（小容量的一般必須動(dòng)力型鋰電）
串聯(lián)使用鋰電的大忌是電池自放電嚴重不均衡。只要大家都一樣不均衡沒(méi)關(guān)系，問(wèn)題是這種狀態(tài)是急不穩定狀態(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)一般是由好轉壞的狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程是不穩定的。所以需要把自放電大的電池篩選出來(lái)，只留自放電小的電池配組（一般合格品自放電都小，廠(chǎng)家是測量過(guò)的，問(wèn)題是好多不合格品流入市場(chǎng)）。
在自放電小的基礎上，挑選容量相近的串聯(lián)。即使容量不相近也不會(huì )影響電池壽命，但是會(huì )影響整組電池的可用容量，比如15個(gè)容量是20ah，只1個(gè)是18ah，那么這組電池總容量只能是18ah。用到最后會(huì )是這個(gè)電池沒(méi)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(gè)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(mǎn)電的時(shí)候必須每個(gè)電芯都充滿(mǎn)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(xiàn)和電極接觸電阻越小越好，否則接觸電阻大電極會(huì )發(fā)熱，這個(gè)熱量會(huì )順著(zhù)電極傳遞給電芯內部影響電池壽命。當然組裝電阻大的表現就是同樣放電電流下電池組壓降大。（壓降一部分是電芯內阻，一部分是組裝的接觸電阻和電線(xiàn)電阻）
（數據針對磷酸鐵鋰電池，普通3.7v電池原理相同，只是數據不同）
保護板目的是用來(lái)保護電池防止過(guò)充電和過(guò)放電，防止大電流損壞電池，并且滿(mǎn)電時(shí)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(kāi)始充電就做均衡，好像很少）。
為了電池組壽命，建議任何時(shí)候電池充電電壓都不要超過(guò)3.6v，意味著(zhù)保護板保護動(dòng)作電壓不高于3.6v，均衡電壓建議3.4v-3.5v（每個(gè)電芯3.4v已經(jīng)充進(jìn)大于99%電量了，指的靜止狀態(tài)，大電流充電時(shí)電壓會(huì )升高）。電池放電保護電壓一般2.5v以上就可以（2v以上問(wèn)題不大，一般很少有機會(huì )用到完全沒(méi)電，所以這個(gè)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*串數，比如16串的為56v左右。平時(shí)充電可以每節平均3.4v截止充電（基本充滿(mǎn)了），這樣電池壽命有保障，但是因為保護板還沒(méi)開(kāi)始均衡，如果電芯有自放電大的，會(huì )隨著(zhù)時(shí)間推移，表現為整組容量逐漸下降。所以還需要定期（比如每周）把電池每節充到3.5v-3.6v并保持幾個(gè)小時(shí)（只要平均大于均衡啟動(dòng)電壓就可以了），自放電越大，均衡需要時(shí)間越長(cháng)，自放電過(guò)大的電芯已經(jīng)很難均衡，需要剔除。所以挑選保護板的時(shí)候，盡量挑選3.6v過(guò)壓保護的，3.5v左右啟動(dòng)均衡的。（市場(chǎng)上大部分是3.8v以上過(guò)壓保護，3.6v以上啟動(dòng)均衡）。其實(shí)選擇合適均衡啟動(dòng)電壓比保護電壓還重要，因為最高電壓可以靠調節充電器最高電壓限制（就是平時(shí)讓保護板沒(méi)機會(huì )做高壓保護），但如果均衡電壓高了，電池組沒(méi)機會(huì )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(huì )慢慢下降（自放電為0的理想電芯是不存在的）。
保護板持續放電電流能力。這個(gè)是最不好評論的東西。因為單說(shuō)保護板限流能力沒(méi)意義。比如一個(gè)75nf75管你讓它持續通過(guò)50a電流（這時(shí)發(fā)熱功率大概30w左右，同口板至少2個(gè)串聯(lián)60w），只要有散熱片足夠散熱是沒(méi)問(wèn)題的。可以一直保持在50a甚至更高不燒管。但是你不能說(shuō)這個(gè)保護板能持續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(zhù)。所以這么高溫度會(huì )導熱電池升溫，問(wèn)題來(lái)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小（而不是保護板本身電流能力）。如果是把保護板從電池盒拿出來(lái)，那么幾乎隨便一個(gè)帶散熱片的保護板都能搞定50a持續電流甚至更高（這時(shí)只考慮保護板能力，不用擔心溫升給電芯帶來(lái)?yè)p害）。下面筆者說(shuō)說(shuō)大家常用環(huán)境，就是和電池在同一個(gè)密閉空間里。這時(shí)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(huì )太高），至于多少合適，建議持續電流時(shí)整個(gè)板子最高溫度不超過(guò)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，只有管子數量高4倍（相同型號mos前提下）。 我們計算一下，假如50a持續電流，那么mos內阻為2毫歐姆（需要5個(gè)75nf75管才能得到這個(gè)等效內阻），發(fā)熱功率是50*50*0.002=5w。這時(shí)是可以的（其實(shí)2毫歐姆內阻的mos電流能力100a以上都沒(méi)問(wèn)題，但發(fā)熱大）。如果是同口板，需要4個(gè)2毫歐姆內阻mos（每2個(gè)并聯(lián)內阻為1毫歐姆，再串聯(lián)，總內阻等于2毫歐姆.如果用75管，需要總數量20只）。100a持續電流允許發(fā)熱功率10w的話(huà)，需要內阻為1毫歐姆的管子（當然可以通過(guò)mos并聯(lián)得到相同等效內阻），如果異口板數量仍是4倍，如果100a持續電流仍最高允許5w發(fā)熱功率，那么只能用0.5毫歐姆管子，相對于50a持續電流需要數量4倍mos才能同樣發(fā)熱量）。所以在使用保護板時(shí)，為了降低溫度，選用內阻小的板子，如果內阻已經(jīng)確定那么請盡量讓板子和外界散熱好點(diǎn)。挑選保護板別聽(tīng)賣(mài)家忽悠的持續多少電流能力，就問(wèn)保護板放電回路總內阻是多少就可以自己算了（問(wèn)用的什么型號管子，用了多少數量，自己查內阻計算）。筆者感覺(jué)如果真的在賣(mài)家標稱(chēng)持續電流下放電，保護板溫升應該比較高。所以最好降額挑選保護板。（說(shuō)50a持續，你用到30a就好了，需要50a持續的，最好買(mǎi)80a標稱(chēng)持續的）。使用48v ecpu的用戶(hù)，建議選擇保護板總內阻不大于2毫歐姆。
同口板和異口板區別：同口板是充放電同一根線(xiàn)，充電和放電都受保護。
異口板是充電線(xiàn)和放電線(xiàn)獨立，充電口只充電時(shí)保護過(guò)充，如果從充電口放電則不保護（但是完全能放電，不過(guò)充電口電流能力一般比較小）。放電口是放電時(shí)保護過(guò)放，如果從放電口充電則不保護過(guò)充（所以ecpu的反充電對異口板來(lái)說(shuō)是完全能用的。并且反充進(jìn)的能量絕對比使用的少，所以不用擔心因反充電電池過(guò)充了。除非剛充滿(mǎn)電出門(mén)，立即是幾公里的下坡，這樣一直啟動(dòng)eabs反充電真有可能把電池搞過(guò)充，這種情況基本不存在），不過(guò)正常使用充電絕對不能從放電口充電，除非自己一直監控充電電壓（比如臨時(shí)路邊緊急大電流充電，可以從放電口充電，不需要充滿(mǎn)就繼續騎行，不用擔心過(guò)充）
算好你的電機最大持續電流，挑選合適容量或動(dòng)力的電池能滿(mǎn)足這個(gè)持續電流而溫升得到控制，選保護板內阻越小越好。保護板過(guò)流保護其實(shí)只需要短路保護等非正常使用保護就好了（千萬(wàn)別想通過(guò)保護板限流來(lái)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(huì )導致經(jīng)常保護，控制器突然斷電反而容易壞控制器。
（1）開(kāi)路電壓：是指非工作狀態(tài)的鋰離子電池的電壓，此時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)，滿(mǎn)電時(shí)電池正負極之間的電勢差通常在3.7V左右，高的可達3.8V;
（2）與開(kāi)路電壓相對應的是工作電壓，即工作狀態(tài)時(shí)鋰離子電池的電壓，此時(shí)，有電流流過(guò)，因為要克服電流流過(guò)時(shí)的內阻，所以，工作電壓總是低于滿(mǎn)電時(shí)的電壓;
（3）終止電壓：即電池放到一定電壓值后不宜再繼續放電，由鋰離子電池的結構所決定，通常由于保護板作用，放電終止時(shí)電池的電壓在2.95V左右;
（4）標準電壓：從原理上講， 標準電壓又叫額定電壓，指電池正負極材料發(fā)生化學(xué)反應造成的電位差的標準值，鋰離子電池的額定電壓是3.7V，可見(jiàn)，標準電壓就是標準的工作電壓;
從上述四種鋰離子電池的電壓來(lái)看，工作狀態(tài)涉及到的鋰離子電池的電壓有標準電壓和工作電壓，非工作狀態(tài)時(shí)，鋰離子電池的電壓則處于開(kāi)路電壓和終止電壓中，因為鋰離子電池的化學(xué)反應可重復使用，因此，當鋰離子電池的電壓處于終止電壓時(shí)，電池就要進(jìn)行充電，長(cháng)時(shí)間不充電就會(huì )導致電池的壽命降低甚至報廢。
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