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锂电池电源管理系统

 rookie 2018-12-10

升压模块

如MT3608,类似的还有LM2577,主要作用是将电池额定电压转换成5V的工作电压输出,通过调节蓝色电位器可以改变输出电压。

充电模块

如TP4056,经常被用于锂电池充电,输出的电压在4.2V。

 
在不同工作电流时的可替换模块,当负载需要大电流支持的时候可以采用多个锂电池并联的方式工作。
工作在3A以上时需要加装散热片。


电源系统连接图


把这些模块连接在一起,即可在输出端给负载供电。需要充电的时候,可以用标准5V手机充电器接mini USB连到输入端。
那么我们怎么知道什么时候该充电了呢?这个时候ADC模块就起作用了,电池电压作为模拟信号输入,经过ADC量化成数据即可被嵌入式系统读取,在arduino应用中,可以直接把电池接该模块的A0模拟输入口(10位量化),在树莓派等嵌入式系统,也通过arduino作为ADC转接,或采用专门的ADC芯片例如ADS1115(16位量化)。

 



TP4056充电过程

TP4056的充电过程的曲线图,该图很清晰的显示了充电过程在前一小时为恒流充电,电压逐步上升,而后,电流开始下降,进入恒压充电模式。
为什么充电过程分为这两个模式呢?充电开始的时候,一般电源电压和待充电的电池电压之间压差较大,会造成比较大的电流作用也电池和电源的内阻上,发热很严重,因此必须采取限流(恒流)方式,以防止发热过量,因此在充电第一阶段是恒流充电,等到二者压差缩小,如图 7,大约0.1V的时候,进入恒压充电,这时的电流已经在可接受范围。


串联锂电池充电要采用平衡充电法

并联不存在这个问题,串联才需要平衡充。

串联电池充电的时候用专门的充电器单独每一个电池充电。要监测端电压,做到几个电池电压同步。

如果不使用平衡冲,每节电池分配电压略有不同,久而久之,有的电芯就会容易过放。平衡冲的充电方式一般是先整体大电流充,充的差不多过后再用小电流平衡两块电芯的电压。

3s2p的意思应该是三块电芯串联,每块再与一块电芯并联,s串联,p并联。串联可以提高电压,并联可以增大放电电流


开关电源模块的工作频率基本都是固定的:

mt3608:1.2MHZ

lm2509:150KHZ

xl4015:180KHZ

xl6009:400KHZ

工作频率越高,模块的尺寸越小,电感也越小,

在mt3608的模块里,电解电容被直接消除,因为频率较高,容量大的电解电容已经起不到作用了。切换开关的频率提高了,储能元件就不需要存储太多电能(储存太多也没用,没有那么长的放电时间)。

但是,高频率对元件要求提高,会带来更严重的电磁干扰和纹波,同时开关管的功耗也会提高。

在设计开关电源模块的时候,需要综合考虑以上的因素,做好体积,功率和成本的权衡。


锂电池带保护板

加保护板的,长度和直径会有所增加。不加保护板的18650电芯是65mm高度,加板18650的是69-71mm。

作用:防止过放和过充,两节以上串联使用的,防止其中部分电池因一致性不好而过放损坏。

  • 过放保护:当电池电快要用完时,电压到一个要求的最低值2.4V就不放电了,产品因此会自动关机。没有保护板,就一直用完,会损坏电池。
  • 过充保护:在给产品充电时,电压达到电池最高电压4.2V时,保护板就会自动断电关闭,不继续充电了。形成的一种过冲保护作用。
  • 短路保护:当电池不小心短路时,保护板会在几毫秒内自动关闭,这时就是正负极碰到一块也没事,形成的一种短路保护不会引起爆炸事件发生。

电池焊接:

最好,找点焊机焊接。

烙铁:

锉刀挫电池要焊的地方,加酸性ZnCl2:H2O = 1:1.5助焊剂,再加焊锡,快速焊好,防止过热。

电芯受热有爆炸的可能,焊时用毛巾包裹防爆炸,戴护目镜保护眼睛。



为什么锂电池充电会爆炸?

锂电池的能量密度大,如果能量瞬间释放确实容易造成事故,能让电池瞬间释放能量的一般是短路,因为不合格的工艺制作出来的劣质电池,在发生内部短路或过冲(如果使用错误产生外部短路也是可能出问题的)后,升高其内部温度,造成电解液被汽化,如果不能有效向外释放气体,则会最终以爆炸的方式体现出来。

 


锂电池的优缺点:

锂离子电池电压为3.6V,磷酸铁锂电池电压为3.2V。

优点:
1.能量密度高,跟普通的铅酸蓄电池相比,普通锂电的能量密度至少在5倍以上。
2.输出功率和电压较高,内阻相对小,18650锂电池电压一般在3.7V,达到2200MAH的容量。
3.自放电小,每月10%以下,不到Ni-Cd、Ni-MH的一半。
4.工作温度范围宽,-30~+45℃,随着电解质和正极的改进,期望能拓宽到-40~+70℃,低温有可能拓展到-60℃。
5.锂电池没有记忆效应,可以浅放浅充。
缺点:
1.成本相对高。
2.需要保护防止过放过充,对于普通锂电池,充电电压不大于4.2V,工作输出电压不宜低于3.6V。



锂电池的标志:

容量是以AH为标志的,例如2200MAH,意味着在3.7V的条件下,能够以2.2A电流持续工作一小时。用W=U*I*t来计算,则意味着29304焦耳的能量。

锂电池的输出功率如何标志:
一般未标志的锂电池至少能够达到1C,即在一小时内放完电,C也称为放电倍率,如上容量2200MAH的电池,至少能够以2.2A电流来做功,输出功率P=U*I =2.2*3.7=8.14瓦。
在设计驱动电动机和舵机的电池组时,这样的功率输出时不足的,因此会用动力锂电池搭建高C的电池组。一般驱动模型车辆的至少为15C,而无人机使用20C以上的锂电池。
一个2200MAH的20C电池输出功率是1C的20倍,也就是8.14*20=162.8瓦,当然了,如果在此满负荷输出的时候,工作时间也仅为原来的1/20,即三分钟。因此在航模设计的时候需要密切监控机载电池组的能量残值,才能保证飞行安全。
例如:
2S意味着3.7V x2=7.4V输出电压。
5C就是能够用5倍率,也就是1300MA*5=6.5A的电流进行充电,这是比较大的电流,电池也会在60/5=12分钟内完成充电。

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