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鋰電池保護(hù)板原理介紹

瀏覽次數(shù):23933     時(shí)間:2020-04-24 13:39:38

保護(hù)板是鋰電池系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一個(gè)部件,在電動(dòng)汽車(chē)電池中,我們所說(shuō)的電池管理系統(tǒng)(BMS)其實(shí)就是保護(hù)板的終極升級(jí)版,如果沒(méi)有保護(hù)板,那么這個(gè)電池可能充放電一兩次就壞了。不過(guò)在使用鉛酸電池的電動(dòng)車(chē)中,是沒(méi)有保護(hù)板一說(shuō)的。

由于保護(hù)板的信息量非常大,我們把這個(gè)部分內(nèi)容分成兩塊來(lái)說(shuō)。今天,我們主要是從宏觀(guān)角度來(lái)說(shuō),為何鋰電池需要保護(hù)板,保護(hù)板有哪些類(lèi)別,讓大家知道如何去配置一塊保護(hù)板的各個(gè)參數(shù)。

1為何鋰電池需要保護(hù)板,而鉛酸電池不需要保護(hù)板

鋰電池能量密度高,電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)活性強(qiáng)。當(dāng)電芯出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放等非正常使用時(shí),極有可能出現(xiàn)電池?fù)p壞,極端情況下,還會(huì)導(dǎo)致起火和爆炸。因此,鋰電池需要有一套監(jiān)控系統(tǒng),隨時(shí)監(jiān)控鋰電池的電壓,電流等參數(shù),一旦超過(guò)事先設(shè)定的閾值,則直接關(guān)斷電池主回路。

按照慣例,要了解和熟悉保護(hù)板,我們先來(lái)對(duì)保護(hù)板進(jìn)行一個(gè)分類(lèi)。通常,區(qū)別最大的兩種分類(lèi)方法是:

1、按照是否能夠編寫(xiě)程序分為硬件板與軟件版;

2、按照充電和放電是同一個(gè)輸出口還是兩個(gè)不同輸出口分為同口保護(hù)板與分口保護(hù)板。

而實(shí)際使用中,最常見(jiàn)的分類(lèi)方法是按照保護(hù)板所適配的鋰電池串?dāng)?shù)、電芯類(lèi)型和持續(xù)放電大小來(lái)分的。

硬件板與軟件板

所謂硬件板,就是保護(hù)板上沒(méi)有可以進(jìn)行編程的芯片,只是按照特定的線(xiàn)路進(jìn)行連接,保護(hù)板的參數(shù)是固定的。這一類(lèi)保護(hù)板一般成本較低,功能簡(jiǎn)單,很難實(shí)現(xiàn)邏輯上的特殊控制要求。而軟件板則是在硬件板的基礎(chǔ)上,加了可以編程的芯片,因此這類(lèi)保護(hù)板除了實(shí)現(xiàn)基本功能以外,還能實(shí)現(xiàn)很多特殊的功能。只要通過(guò)修改程序和添加外設(shè),基本可以實(shí)現(xiàn)任何功能。比如遠(yuǎn)程引爆車(chē)輛中的鋰電池。

分口與同口保護(hù)板

保護(hù)板為了現(xiàn)實(shí)保護(hù)電池的功能,必須要能夠主動(dòng)切斷電池主回路。因此,在電池包內(nèi)部,電池的主回路是要經(jīng)過(guò)保護(hù)板的。為了對(duì)充電和放電都能進(jìn)行控制,保護(hù)板必須具有兩個(gè)開(kāi)關(guān),分別控制充電和放電回路(姑且這么理解)。在同口保護(hù)板中,這兩個(gè)開(kāi)關(guān)串在一條線(xiàn)上,接到電池包外部,充電和放電都經(jīng)過(guò)此線(xiàn)。而在分口保護(hù)板中,電池分出兩根線(xiàn),分別接充電開(kāi)關(guān)和放電開(kāi)關(guān),再接到電池外部。

之所以會(huì)出現(xiàn)同口和分口保護(hù)板,是為了降低成本:一般電動(dòng)車(chē)鋰電池包的充電電流要比放電電流小,如果兩個(gè)開(kāi)關(guān)串到一條線(xiàn)上,那么兩個(gè)開(kāi)關(guān)就得照著大的買(mǎi)。而分口的話(huà),充電電流小,就可以用一個(gè)更小的開(kāi)關(guān)。這里說(shuō)的開(kāi)關(guān),其實(shí)就是MOSFET,是鋰電保護(hù)板的主要成本,而且國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)受限,核心部件需要進(jìn)口。

按照串?dāng)?shù)和持續(xù)放電電流大小來(lái)分

串?dāng)?shù)比較好理解,常見(jiàn)的7串(三元24v),13串(三元48v),17串(三元60v),20串(三元72v)。保護(hù)板需要采集每一串電芯的電壓,因此串?dāng)?shù)不同,保護(hù)板是不同的。而電流大小,就是決定了如上所說(shuō)開(kāi)關(guān)的大小(MOS數(shù)量),對(duì)價(jià)格的影響很重。

最后就是按照電芯材料來(lái)分

不同的電芯材料,放電截止電壓和充電截止電壓是不一樣的。因此,所使用的保護(hù)板也是不一樣的,最常見(jiàn)的就是三元保護(hù)板和磷酸鐵鋰保護(hù)板,一般三元電芯電壓范圍為2.7-4.2v,而磷酸鐵鋰則是2.5-3.6v。

在為電池包配置保護(hù)板時(shí),一定要選擇參數(shù)相配的保護(hù)板,既要和電池的參數(shù)相配,也要和目標(biāo)用電器的參數(shù)相配。電池的參數(shù)好理解,就是電壓電流等,用電器的參數(shù),以電動(dòng)車(chē)為例,就是要和電動(dòng)車(chē)的控制器相匹配。那如何選擇和適配保護(hù)板呢?

電芯類(lèi)型要選對(duì)

首先是,磷酸鐵鋰和三元等不同的電芯和保護(hù)板是不能搭配使用的,電芯和保護(hù)板要一致,這是電壓的角度。除此之外,保護(hù)板的保護(hù)參數(shù)也應(yīng)該和用電器的功率進(jìn)行匹配,主要是從電流的角度來(lái)考慮。

那從細(xì)的方面來(lái)講,保護(hù)板的參數(shù)如何選擇呢?我們先從電壓的角度來(lái)說(shuō)。鋰電池是非常危險(xiǎn)的東西,過(guò)充過(guò)放都有可能導(dǎo)致意外情況的發(fā)生。因此,在電池包內(nèi)部,保護(hù)板需要監(jiān)控每一串電芯的電壓,當(dāng)所有電芯中只要有一串電壓低于或者高于設(shè)定電壓,保護(hù)板就需要進(jìn)行保護(hù)。這個(gè)地方就出現(xiàn)了我們保護(hù)板關(guān)鍵的一組參數(shù),充電截止電壓和放電截止電壓。保護(hù)板在檢測(cè)時(shí)為了避免干擾,確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,一般都有延時(shí),不會(huì)在檢測(cè)到以后立即就保護(hù),因此又有一組充電保護(hù)延時(shí)和放電保護(hù)延時(shí)參數(shù)。另外,當(dāng)保護(hù)板保護(hù)以后,如果異常情況消失,保護(hù)板還應(yīng)該恢復(fù)正常。

除了這些基本功能以外,為了使用不同的應(yīng)用場(chǎng)景個(gè)需求,保護(hù)板還有各種各樣的附加功能(如均衡),特別是帶軟件的保護(hù)板中,功能更是異常豐富,比如藍(lán)牙、wifi、GPS、串口、CAN等應(yīng)有盡有,再高階一點(diǎn),就成了電池管理系統(tǒng)了(BMS)。


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