电池配置(串联和并联)及其保护
一个单元格对于某些设备来说是不够的。为了达到所需的电压,电池串联连接以增加电池的电压。为了达到预期的容量,电池并行连接,通过增加安培小时(Ah)来获得高容量。这种电池组合称为电池。
有时候,电池组在两种配置中同时使用,以获得所需的电压和高容量。这种结构在笔记本电池中可以找到,它有4个3.6 v 的锂离子电池串联起来得到14.4 v,每个电池彼此并联,得到6800毫安时的双倍容量。
笔记本电池配置。
连接在配置中的电池应该具有相同的电压和容量,因为较弱的电池导致不平衡。在串联结构中,电池和电池链中的薄弱环节一样强,因此高容量的电池不能比较弱的电池充电更多。较弱的电池也会先放电和充电,这也会导致设备出现过放电和过充电等问题。
单电池配置
单电池配置是最简单的电池组。这种配置可以在挂钟、内存备份和手表中使用。这些都是低功耗设备,所以他们使用1.5 v 的硷性电池。移动电话和平板电脑也有3.6 v 锂离子电池的单芯配置。下面的图片显示了锂离子电池的单电池配置。
正如我们所看到的,单个锂离子电池的标称电压为3.6伏。镍基电池的标称电压为1.2 v,硷性电池电池的标称电压约为1.5 v。另一种锂基电池的电压在3.0 v 到3.9 v 之间,锂磷酸盐为3.2 v,锂钛酸盐为2.4 v,锂锰和其他锂基电池通常使用3.7 v 或更高的电压。
系列配置
串联结构用于单个电池电压不足的场合。串联配置是通过连接一个细胞的正片到另一个细胞的负片来实现的,如下图所示。4个3.6 v 的锂离子电池串联在一起,可以产生14.4 v 的电压,这种结构被称为4s,因为4个电池串联在一起。
电池的数量可以根据单个电池的电压而改变。铅酸蓄电池的额定电压为2伏,因此需要串联六个电池才能达到12伏。六个电压为1.5 v 的碱性电池串联在一起,可以给你9伏电压。
如果设备需要一个奇数的电压,例如10伏,那么三个锂离子电池可以串联。但是当设备需要8.5伏的锂离子电压时,你需要知道设备的规格。如果它可以处理10v,那么它可以直接连接; 否则,一个降压或升压是用来达到8.5 v。
如果一个电池串联是错误的,电池匹配是一个挑战,在老化包在电池更换时。新的电池比其他电池有更高的容量,从而导致不平衡。这就是为什么电池组通常更换单位。
如下图所示,BMS (电池管理系统)或其控制器可以通过测量电池各点的电压来确定故障电池。其中一个电池出现故障,电池电压由3.6 v 降至2.8 v。由于这个原因,电池电压崩溃,并且设备会因为低电量信息而提前关闭。你可以通过更换这个电池来修理你的电池组。
并行配置
如果设备需要更高的电流,但是没有足够的空间容纳电池,则电池并联连接以满足更高的电流容量要求。该装置可以使用平行配置,以适应大电流能力在一个小的空间。并联的四个单元结构称为 P4,并联的三个单元结构称为 P3。下面的图片显示了 p4配置。电池组中的电压保持不变,但是电流容量(Ah)增加了。
产生高电阻或开路的电池在并联电路中的关键性不如串联电路,但是失效的电池会降低总的电流容量。另一方面,电短路更严重,因为有缺陷的电池从其他电池吸收能量,引起火灾。短波通过反向极化或枝晶生长发生。大型电池包括一个保险丝,当电池短路时可以断开它。在下面的图片中,蓝盒子中的第三个电池失效,容量降低到1500毫安时。它不影响电压,但降低了总容量。
串并联结构
在这种配置中,单元以串联和并联方式连接。串并联结构可以在尽可能小的尺寸下给出所需的电压和容量。你可以在下面的图片中看到两个3.6 v 3400mAh 电池并联连接,使电池容量从3400mah 提高到6800mah。由于这些并联组件串联在一起,电压也会从3.6 v 翻倍到7.2 v。这个电池组的总功率现在是48.96 Wh。这种配置称为2sp2。如果配置包括8个配置为4sp2的单元,两个单元并联,这个并联组合的四个单元串联在一起。这个电池组产生的总功率是97.92 Wh。
电池的保护
IEC 62133协调了便携式应用的镍基和锂基电池和电池的安全要求。锂离子电池是同类电池中最危险的一种,因为电池的化学成分具有炸药。电池需要保护,以防止任何损害,由于大电流放电,过充,温度上升等。保护可以内置在电池的结构中,或者可以使用外部保护电路断开电池。
电池内置保护装置
一些电池在电池结构中带有安全功能。下图展示了18650锂离子电池的安全特性。PTC (正热系数)是指在常温下电阻非常低。但当温度超过临界值时,电阻增大,电流减小。当温度低于临界范围时,PTC 就处于正常电阻下。
CID (电流中断装置)是一种熔丝型装置,当电池压力、温度或电压范围超过其极限时,它会永久性地切断电路。如果内部压力增加约1,000千帕,则顶部阀瓣与金属箔断开,与电流断开。在顶部有一个排气口,可以释放气体,并可以再次关闭。
蓄电池保护电路
大约18650个锂离子电池配有保护电路。保护电路的基本功能是保护蓄电池不受过电压、欠电压、过电流和过低温度的影响。这是 BMS 的一部分。为了安全操作,BMS 监控电池的状态,并在电池出现故障时将信号发送到保护电路。当保护电路连接到蓄电池的正极时,称为高侧保护。当它连接到电池的负面,然后它被称为负面保护。
下面给出了保护电路框图。这是一个高端保护电路。电池配置为 S4(串联四个) ,电池正极连接一个保险丝,当电流超过极限时关闭电池。有 BMS 监测每个小区电压的平衡和故障检测。当前的传感单元将感知充电和放电的电流,它发送到 BMS。如果任何电压或电流读数超过极限,BMS 就会将信号发送到用充电器或负载切断电池的保护电路。
蓄电池保护电路。
市场上有一些预先制造的电路,它们是根据你的电压或电流要求而固定的。你只需要知道电池保护模块的电流和电压规格,或者你也可以用市场上的 mosfet 和 BMS 建立你自己的模块。
- 白纪龙老师从事电子行业已经有15个年头 到目前为止已开发过的产品超上百款,目前大部分都已经量产上市 从2018年开始花了5年的时间
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