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鋰電池電源管理系統

升壓模塊

如MT3608,類(lèi)似的還有LM2577,主要作用是將電池額定電壓轉換成5V的工作電壓輸出,通過(guò)調節藍色電位器可以改變輸出電壓。

充電模塊

如TP4056,經(jīng)常被用于鋰電池充電,輸出的電壓在4.2V。

 


在不同工作電流時(shí)的可替換模塊,當負載需要大電流支持的時(shí)候可以采用多個(gè)鋰電池并聯(lián)的方式工作。
工作在3A以上時(shí)需要加裝散熱片。


電源系統連接圖


把這些模塊連接在一起,即可在輸出端給負載供電。需要充電的時(shí)候,可以用標準5V手機充電器接mini USB連到輸入端。
那么我們怎么知道什么時(shí)候該充電了呢?這個(gè)時(shí)候ADC模塊就起作用了,電池電壓作為模擬信號輸入,經(jīng)過(guò)ADC量化成數據即可被嵌入式系統讀取,在arduino應用中,可以直接把電池接該模塊的A0模擬輸入口(10位量化),在樹(shù)莓派等嵌入式系統,也通過(guò)arduino作為ADC轉接,或采用專(zhuān)門(mén)的ADC芯片例如ADS1115(16位量化)。

 



TP4056充電過(guò)程

TP4056的充電過(guò)程的曲線(xiàn)圖,該圖很清晰的顯示了充電過(guò)程在前一小時(shí)為恒流充電,電壓逐步上升,而后,電流開(kāi)始下降,進(jìn)入恒壓充電模式。
為什么充電過(guò)程分為這兩個(gè)模式呢?充電開(kāi)始的時(shí)候,一般電源電壓和待充電的電池電壓之間壓差較大,會(huì )造成比較大的電流作用也電池和電源的內阻上,發(fā)熱很?chē)乐?,因此必須采取限流(恒流)方式,以防止發(fā)熱過(guò)量,因此在充電第一階段是恒流充電,等到二者壓差縮小,如圖 7,大約0.1V的時(shí)候,進(jìn)入恒壓充電,這時(shí)的電流已經(jīng)在可接受范圍。


串聯(lián)鋰電池充電要采用平衡充電法

并聯(lián)不存在這個(gè)問(wèn)題,串聯(lián)才需要平衡充。

串聯(lián)電池充電的時(shí)候用專(zhuān)門(mén)的充電器單獨每一個(gè)電池充電。要監測端電壓,做到幾個(gè)電池電壓同步。

如果不使用平衡沖,每節電池分配電壓略有不同,久而久之,有的電芯就會(huì )容易過(guò)放。平衡沖的充電方式一般是先整體大電流充,充的差不多過(guò)后再用小電流平衡兩塊電芯的電壓。

3s2p的意思應該是三塊電芯串聯(lián),每塊再與一塊電芯并聯(lián),s串聯(lián),p并聯(lián)。串聯(lián)可以提高電壓,并聯(lián)可以增大放電電流


開(kāi)關(guān)電源模塊的工作頻率基本都是固定的:

mt3608:1.2MHZ

lm2509:150KHZ

xl4015:180KHZ

xl6009:400KHZ

工作頻率越高,模塊的尺寸越小,電感也越小,

在mt3608的模塊里,電解電容被直接消除,因為頻率較高,容量大的電解電容已經(jīng)起不到作用了。切換開(kāi)關(guān)的頻率提高了,儲能元件就不需要存儲太多電能(儲存太多也沒(méi)用,沒(méi)有那么長(cháng)的放電時(shí)間)。

但是,高頻率對元件要求提高,會(huì )帶來(lái)更嚴重的電磁干擾和紋波,同時(shí)開(kāi)關(guān)管的功耗也會(huì )提高。

在設計開(kāi)關(guān)電源模塊的時(shí)候,需要綜合考慮以上的因素,做好體積,功率和成本的權衡。


鋰電池帶保護板

加保護板的,長(cháng)度和直徑會(huì )有所增加。不加保護板的18650電芯是65mm高度,加板18650的是69-71mm。

作用:防止過(guò)放和過(guò)充,兩節以上串聯(lián)使用的,防止其中部分電池因一致性不好而過(guò)放損壞。

  • 過(guò)放保護:當電池電快要用完時(shí),電壓到一個(gè)要求的最低值2.4V就不放電了,產(chǎn)品因此會(huì )自動(dòng)關(guān)機。沒(méi)有保護板,就一直用完,會(huì )損壞電池。
  • 過(guò)充保護:在給產(chǎn)品充電時(shí),電壓達到電池最高電壓4.2V時(shí),保護板就會(huì )自動(dòng)斷電關(guān)閉,不繼續充電了。形成的一種過(guò)沖保護作用。
  • 短路保護:當電池不小心短路時(shí),保護板會(huì )在幾毫秒內自動(dòng)關(guān)閉,這時(shí)就是正負極碰到一塊也沒(méi)事,形成的一種短路保護不會(huì )引起爆炸事件發(fā)生。

電池焊接:

最好,找點(diǎn)焊機焊接。

烙鐵:

銼刀挫電池要焊的地方,加酸性ZnCl2:H2O = 1:1.5助焊劑,再加焊錫,快速焊好,防止過(guò)熱。

電芯受熱有爆炸的可能,焊時(shí)用毛巾包裹防爆炸,戴護目鏡保護眼睛。



為什么鋰電池充電會(huì )爆炸?

鋰電池的能量密度大,如果能量瞬間釋放確實(shí)容易造成事故,能讓電池瞬間釋放能量的一般是短路,因為不合格的工藝制作出來(lái)的劣質(zhì)電池,在發(fā)生內部短路或過(guò)沖(如果使用錯誤產(chǎn)生外部短路也是可能出問(wèn)題的)后,升高其內部溫度,造成電解液被汽化,如果不能有效向外釋放氣體,則會(huì )最終以爆炸的方式體現出來(lái)。

 


鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn):

鋰離子電池電壓為3.6V,磷酸鐵鋰電池電壓為3.2V。

優(yōu)點(diǎn):
1.能量密度高,跟普通的鉛酸蓄電池相比,普通鋰電的能量密度至少在5倍以上。
2.輸出功率和電壓較高,內阻相對小,18650鋰電池電壓一般在3.7V,達到2200MAH的容量。
3.自放電小,每月10%以下,不到Ni-Cd、Ni-MH的一半。
4.工作溫度范圍寬,-30~+45℃,隨著(zhù)電解質(zhì)和正極的改進(jìn),期望能拓寬到-40~+70℃,低溫有可能拓展到-60℃。
5.鋰電池沒(méi)有記憶效應,可以淺放淺充。
缺點(diǎn):
1.成本相對高。
2.需要保護防止過(guò)放過(guò)充,對于普通鋰電池,充電電壓不大于4.2V,工作輸出電壓不宜低于3.6V。



鋰電池的標志:

容量是以AH為標志的,例如2200MAH,意味著(zhù)在3.7V的條件下,能夠以2.2A電流持續工作一小時(shí)。用W=U*I*t來(lái)計算,則意味著(zhù)29304焦耳的能量。

鋰電池的輸出功率如何標志:
一般未標志的鋰電池至少能夠達到1C,即在一小時(shí)內放完電,C也稱(chēng)為放電倍率,如上容量2200MAH的電池,至少能夠以2.2A電流來(lái)做功,輸出功率P=U*I =2.2*3.7=8.14瓦。
在設計驅動(dòng)電動(dòng)機和舵機的電池組時(shí),這樣的功率輸出時(shí)不足的,因此會(huì )用動(dòng)力鋰電池搭建高C的電池組。一般驅動(dòng)模型車(chē)輛的至少為15C,而無(wú)人機使用20C以上的鋰電池。
一個(gè)2200MAH的20C電池輸出功率是1C的20倍,也就是8.14*20=162.8瓦,當然了,如果在此滿(mǎn)負荷輸出的時(shí)候,工作時(shí)間也僅為原來(lái)的1/20,即三分鐘。因此在航模設計的時(shí)候需要密切監控機載電池組的能量殘值,才能保證飛行安全。
例如:
2S意味著(zhù)3.7V x2=7.4V輸出電壓。
5C就是能夠用5倍率,也就是1300MA*5=6.5A的電流進(jìn)行充電,這是比較大的電流,電池也會(huì )在60/5=12分鐘內完成充電。

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