智能车竞赛引入锂电池已有两三年的时间了,但是在给同学们答疑的过程中,依然经常遇到由于不了解锂电池特性,错误的使用方式而导致锂电池损坏的情况。由于我们在生活中接触到的锂电池,多为消费级产品内部内置的锂电池。而内置的锂电池通常已经做好了比较充分的保护措施。所以我们平时使用电子设备的习惯就变成了,可以一直用到“没电关机”。但在智能车竞赛里用到的无保护板电池,插在没有自动断电保护功能的主板上,一直开着电源,就会直接被过放到电压为0,而导致完全损坏。为了大家的财产免受损失,我们构思了这篇文章来简单的科普一下最基本的使用常识。
(1)单节电芯的电压范围:3.7V-4.2V
务必注意:单节锂电池充满电在4.2V左右,而“电量耗尽”,在3V左右,而不是放到0V才算没电。为了保证电池的寿命,建议电压低至3.6V时就立刻充电。
(2)过放:指在放电的过程中,电池组的电压严重低于了电池的额定电压。
过放会导致锂电池内部的负极结构被永久性破坏,导致容量和寿命下降。
(3)过充:指在充电的过程中,电池组的电压高于了电池正常充满时的电压。
过充可能会导致电池正极损坏,严重过充会导致发热甚至爆炸。
如下图所示,展示了单节电芯的正常电压范围:
(4)平衡充:具有给电池组内单节电芯单独充电功能的充电器。
(5)低压报警器:连接至电池组的平衡充电接口,当电压低于设定电压时,会发出报警声。
(6)2S、3S、6S中S的含义:
锂电池组中,S代表串联。2S电池组,代表由2节电芯串联组成。3S电池组,代表由3节电芯串联组成。6S同理。
(7)20C、35C中C的含义:
代表了锂电池的充放电倍率。C数与电流的转换关系为:电流=C数x容量。例如一个2200mAh,20C的锂电池,最大放电电流为:2200x20=44000mA=44A。但对于锂电池来说,通常充电倍率要比放电倍率低一些。
截止至本文编写时,智能车竞赛中使用的带保护板锂电池仅有以下一种,外观如下图所示,外层表皮为蓝色,内部电芯为2节18650锂电池(2S),标称电压为7.4V,内部带有保护板。
截止至本文编写时,智能车竞赛中常见的无保护板锂电池有以下几种,无论是3S还是6S,此类型电池均无保护板。普遍的外观截面为方形,电芯为银色软包,从电池整体的侧面看,能看到电芯的堆叠。
不同于5号电池之类的干电池,可充电的锂电池在出厂时,内部并不是充满电的状态,而是会比额定电压略高一点点的,利于长时间存储的电压。所以当拿到全新的锂电池时,在使用之前要做的第一件事,就是使用充电器将其充至满电的状态。
如果拿到手直接开始使用,可能会导致电压被放至额定电压以下,造成过放。如果电池有保护板,可能会导致保护板进入锁死的保护状态。而无保护板的电池,会直接导致不可逆的损伤。
一般来说,保护板可以防止电池被短路,防止电池过放;但无法防止电池过充。
由于保护板的存在,这种电池损坏概率会低一些。但保护板并不是免死金牌,如果持续对电池放电,或从平衡充口对电池放电,依然可能会造成电池损坏。
由于电池的平衡充接口直接连接至电芯正负极,所以保护板无法保护任何针对平衡充接口的充放电行为。
保护板会限制电池的放电能力。一旦电流超过了保护板的设定值,保护板将断开输出。而性能稍微强一些的电机,正常工作的电流都会超过保护板的电流。所以追求极限性能的使用场合,通常不使用带保护板的电池。
在使用时,由于电流过大或电压过低,保护板可能会进入停止输出的保护状态,这时候去测量T头的电压,将会是0V。想要解除保护状态的话,可以使用可调稳压源,将电压设置为7.4V,电流限制为1A,正极对电池正极,负极对电池负极,对电池充一下电。不需要充很长时间,只需要上电,大概在1秒以内,就可以激活处于保护状态的保护板。
如下图所示接线,不同的可调稳压源款式、操作方式可能会存在区别。只要设置为恒压7.4V,限流1A的输出模式即可。
如果按照此方式操作,依然无法恢复,则可能保护板或电芯已经永久损坏。
为了追求极致的放电性能,高倍率动力型锂电池一般不会有保护板。但是追求极致的代价则是舍弃了容错率,需要使用者时刻注意锂电池的电压。一旦出现过充,过放等状况,将直接对电芯造成永久的,不可逆的损伤,可能造成电池的性能下降或直接报废,严重情况下,甚至可能导致电池起火爆燃。为了大家的生命安全和财产安全,请务必注意按规范使用锂电池。
无保护板电池的结构通常是由软包的单节电芯堆叠排放,并在上下两面附加铝片,并在外面包覆纸质图案及介绍层,最外侧套有一层透明热缩外皮。这种结构可以在保证一定强度的前提下,尽量降低电池组的重量。但由于结构限制,电池组仍然有至少4个面是无法防止硬物穿刺的。一旦出现严重的外力碰撞,或硬物穿刺,则可能会导致电芯内部短路,短路产生的巨大电流将导致电芯起火燃烧,甚至爆炸。
在放电时,必须要确保有电压监控装置。例如有些用电设备带有电压检测功能,低电压时自动停止工作;如果用电设备不包含有低电压自动停止工作的功能,则必须要在锂电池的平衡充接口上,连接一个低压报警器。当电压低于设定值时,报警器将发出报警声,提醒使用者应该去充电了。
低压报警器与电池的连接方式如下图所示。
为了保证电池的使用寿命,不建议将电压放至额定电压以下,比如2S锂电池的额定电压为7.4V,3S锂电池的额定电压为11.1V,6S锂电池的额定电压为22.2V。当电压低于额定电压时,务必及时充电。如果继续放电,则会造成过放,严重过放后的电池可能会鼓包,甚至破裂或漏液,并导致不可逆的性能下降,甚至直接永久性报废。
一旦电池已经出现鼓包或单节电压严重低于额定电压(低2V以上)的情况,应立即停止使用,并做妥善回收处理。
由于锂电池的特性,在充电时发生爆燃的可能性最高,所以出于安全考虑,建议购置专用的防爆柜,在防爆柜内进行锂电池的存储和充电,以防止意外爆燃,导致人员和财物损伤。
如果没有条件购置防爆柜,则建议在充电时,将锂电池和充电器放置于硬质,不易燃的地面上,使用者可以便捷的观察到电池的状态,并将附近至少1米范围内的杂物清空,避免发生爆燃后引燃其他物体。
对于智能车竞赛所使用的电池来说,目前主流的充电器有两种:B3平衡充、B6平衡充。
B3平衡充的优势在于使用简单,价格便宜。但只能充单节电芯标称电压为3.7V的锂电池,且充电功率为固定值,无法自定义。
如果您使用的是3S或2S锂电池,则可以使用B3平衡充,通过电池的平衡充接口充电。B3平衡充的3个指示灯分别代表3节电芯的状态,当指示灯为绿色时,代表此节电芯充满,或没有连接电芯。当指示灯为红色时,代表此节电芯正在充电。
B6平衡充的优势在于可以充2S到6S的任意一种电池。且电池的充电截止电压与充电电流可以手动设置,兼容的电池种类更多。但设置相对复杂,需要有一定的锂电池使用经验。上手使用有难度,需要通过教程学习如何使用。
如果您使用的是6S锂电池,则只能使用B6平衡充对电池进行充电。
在充电前,请务必确认设置的电池种类和充电电流与要充电的电池吻合。智能车常用的锂电池为锂聚合物电池,充电器上显示种类为LiPo,选错可能会无法充电,甚至造成电池或充电器损坏。
当B3平衡充接入市电,且输出端不连接任何锂电池时,充电器的3个指示灯都为绿色,如下图所示。
将2S锂电池的充电插头,插入到B3平衡充的左侧输出接口,插头有两个凸起的面朝上,如下图所示。
当插头插入到平衡充左侧接口后,若电池的电量没有充满的话,B3平衡充指示灯的第1、第2颗指示灯将亮起为红色。如下图所示。(由于照片曝光问题,左侧两颗LED看起来偏黄,实际为红色)
将3S锂电池的充电插头,插入到B3平衡充的右侧输出接口,插头有两个凸起的面朝上,如下图所示。
当插头插入到平衡充右侧接口后,若电池的电量没有充满的话,B3平衡充指示灯的3颗指示灯将亮起为红色。如下图所示。(由于照片曝光问题,LED看起来偏黄,实际为红色)
电池组中的某一节电芯充满后,充电器对应的指示灯将变为绿色。
当电池完全充满后,所有的指示灯都将恢复为绿色。
如果电池充了很久,但一个或多个指示灯始终为红色,则可能是此节电芯或整组电池已经损坏,无法充至目标电压。
由于B6平衡充具有多种充电模式,在充电前,需要先确认模式设置是否正确。避免由于错误的设定导致电池或充电器损坏。
当B6平衡充接入市电后,默认显示的界面为程序选择界面,如下图所示。
我们需要将充电程序设置为锂聚合物电池模式,也就是第二行显示为LiPo BATT。按左边第一个按键就可以切换电池种类。菜单会在锂电池、镍氢电池、镍铬电池、铅蓄电池、读取数据、存储数据、用户设定。这几个选项之间切换。如果发现锂电池的种类不是LiPo锂聚合物类型,请参考锂电池种类设定章节。
设置为锂聚合物电池种类后,按Enter按键,进入充电菜单。如下图所示。
第一行是模式选择,通过按左右切换按键修改模式,分别有普通充电模式、平衡充电模式、快速充电模式、贮存模式、放电模式。为了尽量延长锂电池组的使用寿命,我们将模式切换到平衡充电模式LiPo BALANCE。
第二行的两个参数分别为,最大充电电流、电池组电压选择。
充电电流的设定范围为:0.1A到6A。电池组电压选择范围为3.7V(1S)-22.2V(6S)。这里需要根据您使用的电池种类进行设定,这里以我们的3S锂电池举例,将充电电流设置为5A,将电池组电压设置为11.1V(3S)。然后充电器设定方面的准备工作就已经完成了
先将盒子里的连接线取出来,找到T头转香蕉头的连接线,先把香蕉头插到B6平衡充的OUTPUT接口上,再连接电池的T头。否则容易造成短路。
先将锂电池的平衡充接口插入到充电器的2S电池接口位置,如下图所示。
然后将锂电池的T头与B6平衡充的OUTPUT接口连接起来。如下图所示。
先将锂电池的平衡充接口插入到充电器的3S电池接口位置,如下图所示。
然后将锂电池的T头与B6平衡充的OUTPUT接口连接起来。如下图所示。
先将锂电池的平衡充接口插入到充电器的6S电池接口位置,如下图所示。
然后将锂电池的T头与B6平衡充的OUTPUT接口连接起来。如下图所示。
把所有的接线全部接好之后,就可以准备开始充电了。
在模式选择界面下,长按Enter按键2-3秒,充电器就会进入电池检查模式。如下图所示。
如果充电器检测电池异常,则充电器会发出警报音。并在屏幕上显示出错误信息。如下图所示。
如果充电器检测电池状态正常,则会进入确认界面,如下图所示。(由于相机拍摄原因,第二行显示内容刚好处于切换状态)
在确认界面下,再按一次Enter按键,则会正式开始充电,如果按Stop按键,则会退出当前模式,返回上一级菜单界面。充电时显示的内容如下图所示。第一行显示内容为:电池S数,当前电流,电池电压。第二行显示内容为:模式,充电时长,充进去的电量。
当电池充满后,充电器将发出报警音,且显示屏左上角FULL字样与电池S数交替显示。如下图所示。此时可以断开电池与充电器的所有连接线。
如果发现电池种类里没有LiPo锂聚合物电池,则需要进入到用户设定模式里,修改锂电池种类。具体操作步骤为,在程序选择界面,按Stop按键,切换电池种类,切换到PROGRAM模式。
按Enter进入PROGRAM模式,使用左右功能将界面切换为锂电池电压设定界面,如下图所示。
如果第一行显示的锂电池种类并非LiPo锂聚合物,则需要在此界面下,按一下Enter按键,进行电压设定。当电压字符闪动时,按左右按键切换电压,将电压设定为3.7V,设置电压时,第一行锂电池种类也会跟随电压进行变化。
设置为LiPo,3.7V电压后,按Stop按键,返回到程序选择界面即可完成设定。
请注意,不同种类的锂电池额定电压不同,请务必确保所使用的电池与设定的电池种类相同,否则轻则导致电池损坏,重则可能导致电池鼓胀甚至起火爆炸。
本期文章我们介绍了锂电池在使用时的一些基础常识,并且介绍了如何使用B3 B6两种平衡充为锂电池进行充电。祝大家在调试及比赛时,都可以安安全全的使用锂电池,并取得好成绩。