标签: 锂电池

01 锂动力电池保护板构成 锂动力电池保护板是针对锂动力电池设计的起保护作用的集成电路板，锂动力电池需要保护是由其本身特性决定的。由于锂动力电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此在设计锂动力电池包时，会附带设计一块保护板。 锂动力电池保护板通常由控制IC、开关管、精密采用电阻、NTC、PTC、ID存储器等构成，控制IC在锂动力电池包一切正常的情况下控制开关管导通，使电芯与外电路沟通，而当电芯电压或回路电流、温度超过规定值时，它立刻（数十毫秒）控制开关管关断，保护电芯的安全。 NTC是Negative temperature coefficient的缩写，即负温度系数电阻，在环境温度升高时，其阻值降低。ID存储器常为单线接口存储器，在ID存储器存储着锂动力电池包种类、生产日期等信息，可起到产品的可追溯和使用寿命信息。 PTC是英文Positive Temperature Coefficient的缩写，是正温度系数电阻，锂动力电池包产品内PTC可以防止锂动力电池包高温放电和不安全的大电流的发生，根据锂动力电池包的电压、电流密度特性和应用环境，对PTC有专门的要求。PTC是锂动力电池包产品内一个非常重要的部件，对锂动力电池包的安全担负着重要使命，它本身的性能和品质也是锂动力电池包性能和品质的一个重要因数。 02 过流保护 锂动力电池包的过流保护定义：当电池组P+与P-输出电流超过过流/短路电流值，并达到过流延时，控制电路控制放电开关管关断放电回路，停止放电。电流过大产生热量累积是需要一个持续的过程，所以过电流一般会有两重保护，第一重保护的设定值比较小，延时时间比较长，第二重保护的设定值比较大，延时时间很短。当过电流保护动作后，回路电流瞬间就变成了0A，要想恢复保护状态，一般有两种条件 ： 1）不需要人工干预，在经过一段时间之后，自动打开回路，如果此刻依然为过流状态，则锂动力电池包又会进入保护，若过流解除，锂动力电池包将进入工作状态。 2）需要人工干预，等负载或者充电机移除后，人工复位过电流保护。 锂动力电池包在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的2个开关管时，由于开关管的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U=I×RDS×2（RDS为单个开关管的导通阻抗），控制IC对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使U》0.1V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC使Q1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。 在控制IC检测到过电流发生至发出关断信号之间有一段延时时间，该延时时间的长短由C2决定，通常为13毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。在上述控制过程中，其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值，还取决于开关管的导通阻抗，开关管导通阻抗越大时，对同样的控制IC，其过电流保护值越小。 03 短路保护 短路保护其实也是过电流保护的一种，只不过当系统短路以后，电流理论上会变成无限大，这样产生的热量也是无限大，如果要等到软件反应过来再保护，锂动力电池包可能已损坏，因此，对于短路保护一般是采用硬件来自动触发，触发后传递给控制IC一个信号即可。 当锂动力电池包P+与P-输出电流超过短路电流值，并达到短路延时，控制电路控制放电开关管关断放电回路，停止放电。短路保护是过电流保护的一种极限形式，其控制过程及原理与过电流保护一样，短路只是在相当于在P+、P-间加上一个阻值小的电阻（约为0Ω）使保护板的负载电流瞬时达到设定值，保护板立即触发短路保护。 电池保护板原理图，先看看池保护板概述，顾名思义锂电池保护板主要是针对可充电（一般指锂电池）起保护作用的集成电路板。锂电池（可充型）之所以需要保护，是由它本身特性决定的。由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此锂电池锂电组件总会跟着一块带采样电阻的保护板和一片电流保险器出现。 锂电池的保护功能通常由保护电路板和PTC等电流器件协同完成，保护板是由电子电路组成，在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流，及时控制电流回路的通断；PTC在高温环境下防止电池发生恶劣的损坏。 04 电池保护板原理图 电池保护板原理图解析如下文，普通锂电池保护板通常包括控制IC、MOS开关、电阻、电容及辅助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存储器等。其中控制IC，在一切正常的情况下控制MOS开关导通，使电芯与外电路导通，而当电芯电压或回路电流超过规定值时，它立刻控制MOS开关关断，保护电芯的安全。 在保护板正常的情况下，Vdd为高电平，Vss,VM为低电平，DO、CO为高电平，当Vdd,Vss,VM任何一项参数变换时，DO或CO端的电平将发生变化。 1、过充电检出电压：在通常状态下，Vdd逐渐提升至CO端由高电平 变为低电平时VDD-VSS间电压。 2、过充电解除电压：在充电状态下，Vdd逐渐降低至CO端由低电平 变为高电平时VDD-VSS间电压。 3、过放电检出电压：通常状态下，Vdd逐渐降低至D O端由高电平 变为低电平时VDD- VSS间电压。 4、过放电解除电压：在过放电状态下，Vdd逐渐上升到DO端由低电平 变为高电平时 VDD-VSS间电压 。 5、过电流1检出电压：在通常状态下，VM逐渐升至DO由高电平 变为低电平时VM-VSS间电压。 6、过电流2检出电压：在通常状态下，VM从OV起以1ms以上4ms以下的速度升到 DO端由高电平变为低电平时VM-VSS间电压。 7、负载短路检出电压：在通常状态下，VM以OV起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高电平变为低电平时VM-VSS间电压。 8、充电器检出电压：在过放电状态下，VM以OV逐渐下降至DO由低电平变为变为高电平时VM-VSS间电压。 9、通常工作时消耗电流：在通常状态下，流以VDD端子的电流（IDD）即为通常工作时消耗电流。 10、过放电消耗电流：在放电状态下，流经VDD端子的电流（IDD）即为过流放电消耗电流。 11、通常状态：电池电压在过放电检出电压以上（2.75V以上），过充电检出电压以下（4.3V以下），VM端子的电压在充电器检出电压以上，在过电流/检出电压以下（OV）的情况下，IC通过监视连接在VDD-VSS间的电压差及VM-VSS间的电压差而控制MOS管，DO、CO端都为高电平，MOS管处导通状态，这时可以自由的充电和放电； 当电池被充电使电压超过设定值VC(4.25-4.35V)后，VD1翻转使Cout变为低电平，T1截止，充电停止，当电池电压回落至VCR(3.8-4.1V)时，Cout变为高电平，T1导通充电继续， VCR小于VC一个定值，以防止电流频繁跳变。 当电池电压因放电而降低至设定值VD（2.3-2.5V）时， VD2翻转，以IC内部固定的短时间延时后，使Dout变为低电平，T2截止，放电停止。 电池保护板原理图 当电路放电电流超过设定值或输出被短路时，过流、短路检测电路动作，使MOS管（T2）关断，电流截止。 该保护回路由两个MOSFET（T1、T2）和一个控制IC（N1）外加一些阻容元件构成。控制IC负责监测电池电压与回路电流，并控制两个MOSFET的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断，C2为延时电容，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作原理分析如下： 1、短路保护 0.9V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使T2由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。 2、过放电保护 电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至2.5V时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。 在电池放电过程中，当控制IC检测到电池电压低于2.3V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使T2由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于T2自带的体二极管VD2的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。 3、过充电保护 锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到4.2V(根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为4.1V)，转为恒压充电，直至电流越来越小。 电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过4.3V时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。 在带有保护电路的电池中，当控制IC检测到电池电压达到4.28V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“CO”脚将由高电压转变为零电压，使T1由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于T1自带的体二极管VD1的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。 在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断T1信号之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由C2决定，通常设为1秒左右，以避免因干扰而造成误判断。 4、过电流保护 由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C（C=电池容量/小时），当电池超过2C电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。 0.1V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使T2由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。 5、正常状态 在正常状态下电路中N1的“CO”与“DO”脚都输出高电压，两个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。 05 电池保护板的主要作用 1、电流保护：它主要体现在工作电流与过电流使开关MOS断开从而保护电池组或负载。 2、电压保护：过充，过放，这要根据电池的材料不同而有所改变，过充保护，在我们以往的单节电池保护电压都会高出电池充饱电压50~150mV。但是动力电池不一样，如果你要想延长电池寿命，你的保护电压就选择电池的充饱电压，甚至还要比此电压还低些。 3、短路保护：短路的意思就是将电池的输出端连接在一起，短路是一种非常危险的现象，很多时候电池冒烟、爆炸都是由短路引起的，如果电芯的容量比较大，放电比率也比较大的话，一根很粗的铜线，瞬间会烧没有，可想而知有多么的危险，短路保护的原理就是当芯片检测到用户将P+P-或者意外连接起来的时候，会瞬间断开电池的输出端，从而达到保护的效果。 4、温度保护：一般在智能电池上都会用到，也是不可少的。但往往它的完美总会带来另一方面的不足。我们主要是检测电池的温度来断开总开关来保护电池本身或负载。 5、自耗电量, 这个参数是越小越好，最理想的状态是为零，但不可能做到这一点。 6、MOS保护：主要是MOS的电压，电流与温度。当然就是牵扯到MOS管的选型了。MOS的耐压当然要超过电池组的电压，这是必须的。 7、均衡：目前最通用的均衡方式分为两种，一种就是耗能式的，另一种就是转能式的。 本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki，更多技术干货欢迎关注收藏Wiki： Cellular IoT Wiki 知识库(https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/wikcnBvAC9WOkEYG5CLqGwm6PHf) （如有侵权，联系删除）

01 物联网行业中存在问题 在当今的科技时代，物联网电子产品的应用愈发广泛，无论是智能家居中的各类传感器，还是工业自动化领域的远程监控设备，亦或是智能穿戴设备等，在众多的场景中，二次电池都成为了为这些设备提供稳定电源的重要选择。然而，在物联网产品的研发阶段，如何准确测试电池电量一直是一个亟待解决的关键问题。本方案正是为了应对这一挑战而精心设计的，旨在提供一种高效、精准且可靠的电池电量测试方法，以助力研发人员更好地优化产品性能，确保物联网产品在实际应用中的稳定运行。 02 该问题带来的危害及影响 物联网设备很多情况下采用可充电电池进行供电，如果不在产品设计阶段设计好符合实际使用场景的电池电压测试方案，就会导致产品在交付使用过程中，无法准确确认电池状态，从而导致设备在使用过程中由于电池电量不足，未及时充电而影响用户使用。 03 解决方法 方法一 1、原理介绍 通过垃圾桶控制板上的AM21EV5 NB模组中的ADC采集引脚，侦测聚合物锂电池的电池电压来判断电池电量，最终将锂电池的电压以图像形式显示在串口屏上。 侦测电池电压的电路如下图所示： 2、方案详情 2.1.按照测试方案原理，设计原理图 2.2原理图设计 AM21EV5有两个ADC数据采样接口，选择外接一个引脚，并联电压采样电阻，另外一个引脚接地，这种方式称作单端采集方式，最后，采样电阻再外接一个滤波电容. 2.3器件选型 根据AM21EV5硬件设计手册得知，ADC采集电压上限为1.3V, 锂电池满负荷电压为4.2V,设定采样电阻的阻值为150KM 根据欧姆定律得知，另外一个分压电阻的阻值：R2=(VBAT-1.3V)*R1/1.3V=334K 防止采样电压高于ADC电压上限，选择360KΩ。当电池电压为4.2V满负荷时，采样电压最大值为1.24V ,小于1.3V. ADC输入阻抗较大，流入ADC的电流忽略不计，并且综合考虑整个产品的休眠功耗，选择采样电阻的阻值为150KΩ 根据采样精度要求，应选择精度为1%的电阻。 2.4PCB设计 为了避免受到干扰，ADC引脚的走线要尽量短，远离干扰源，走线包地处理。ADC引脚处的走线高亮显示如下： 这里的走线不长，经测试纹波电压小于50mV，满足要求。如下图所示： 2.5测试 在电压降到3.2V时，经实际测试，系统无法开机，所以设定3.2V为关机电压。参考锂电池的放电曲线图，以1A电流放电时，一开始放电曲线很平缓。放电到3.5V再往后一些，蓝色的放电曲线呈陡崖式下降，这就是为什么电压变得不稳定了。见下图蓝色曲线的最右侧那一段： 2.6电量显示 根据电池放电曲线及实际测试数据，在串口屏幕上，显示电量指示的图片，不同图片显示不同电量值。对应如下所示： 3.2V~3.5V 3.6V~3.5V 3.8V~3.6V 4.1V~3.8V 2.7实际测试现象 上图显示，万用表实际测量电压为3.71V, 串口屏电池电量显示3格电的图片，在实际设计电池电压范围内（3.6V~3.8V） 2.8.结论 当实际电池电压显示为3.5V以下，串口屏显示1格电时，需要进行充电动作，否则设备很快就会关机。 3、需要的测试设备或测试环境 待测控制器电路板 聚合物锂电池 串口屏 万用表 示波器 本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki，更多技术干货欢迎关注收藏Wiki： Cellular IoT Wiki 知识库(https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/wikcnBvAC9WOkEYG5CLqGwm6PHf) （如有侵权，联系删除）

1、耐用性/电池寿命：铅酸电池使用寿命一般为2年左右，而 锂离子电池 较耐用，寿命多为4-5年；且铅酸电池循环完全充放电一般为300次内，而锂离子电池则完全充放循环次数超过500次。 2、体积质量/易操作性：相比 锂离子电池 仅2.5/3公斤的轻巧车身，一般同容量铅酸电池重约16/30公斤；不仅电池质量较大，体积也大；相比铅酸车费力的辗转腾挪，锂电车可拆卸设计，骑行搬运更方便。 3、市售价格/性价比：目前市售主流铅酸电池约为450元左右，而锂离子电池价格较贵为1000元左右；两类电池价格不同，相对应的电动汽车售价也相差较大。同时，锂离子电池质保期也比铅酸长1年，可保为2年。 4、续航里程/电池容量：同样为48V电池，满电情况下，铅酸/ 锂离子电池 电动汽车续航里程都差不多，具体要取决于速度、电机大小等因素。当然，电池容量方面，铅酸电池会稍微大于锂离子电池。 5、行驶公里：同样是48V的电池，在充满电的情况下，铅酸电池和锂离子电池的电动汽车都可以行驶30-40公里。速度重要取决于所使用的电机大小。 6、价格、质保期方面：目前市场上主流电池是48V，假如更换的话，铅酸电池450元左右，质保期为1年锂离子电池价格相对较贵，要1000元左右，但是质保期为两年。 7、环保：在2012年国家颁布《蓄电池行业准入条件》以后，铅酸行业经过重组整合，大部分厂家已采用内化成无镉无砷绿色生产，更加环保、更加节能，只在回收过程当中，假如方法不当可能造成污染；锂离子电池在生产、回收方面，相对更绿色环保。 看到以上7点差别，相信大家会发现，相比铅酸电池的不易操作、笨重大块头及不耐用，锂离子电池电动汽车似乎更加有优势。当然，铅酸电池电动汽车价格更便宜。 与铅酸电池相比， 锂离子电池 的平均电压更高，其能量密度高，换言之，同等大小的电池，锂离子电池容量更多。另外，锂离子电池相对轻巧，携带方便，而寿命相对要长很多。此外，锂离子电池的高低温适应性更强，受温度影响因素较小，且更加绿色环保。

一、 锂电池生产工艺背景 在 “双碳”战略 提出的背景下，新能源汽车、新能源锂离子电池以及新能源数码产品行业得到了快速发展，便携式充电设备和大容量的充电电池已成为未来的发展趋势。 锂离子电池 具有能量存储密度高、使用寿命长等特点，这使其成为了电池中的主流。电池的第一步工序即是将电芯极片组成为电池，而锂离子电池加工工艺主要分为三种：卷绕工艺、叠片工艺、切片工艺。其中，切片锂电池的隔离膜非常柔软，在加工过程中难以保证隔离膜的对齐度，因此，在工业中大多使用 叠片和绕卷工艺 。 叠片机 是将预制好的正、负极片用隔膜间隔交替堆叠形成电芯的核心关键设备，设备的加工能力直接影响电芯的良率。 目前市场上主流叠片机设备路线主要有四种， Z 字型叠片机、切叠一体机、热复合叠片机和卷叠一体机。其中 Z 字型叠片机和切叠一体机本质均为 Z 字型叠片 ，也是国内应用较为广泛的机型。 Z 型叠片技术通过可移动叠片台拉动隔膜在叠片平台之间来回移动，实现正极极片和负极极片的交叉堆叠。 在锂电池的 Z 型叠片过程中，送料轴上的机械手抓取极片移向工作台，移动工作台的同时铺置隔离膜，正负极片相间放置。 在机械手左右运动的同时完成隔离膜的 Z 形叠绕 ，压制成型后，机械手进行下一张极片抓取，极片抓取的同时，依次放置，如此往复实现整个电芯的叠片组装。 二、 宏集解决方案 传统的叠片效率太慢精度低，无法形成规模化生产，需要新的叠片工艺技术来提高叠片的精度和生产效率。而在整个叠片工艺中，影响锂电池生产精度的关键因素主要是 隔离膜张力控制 和 正负电极片移送精度 ： 1. 隔膜张力控制：隔离膜张力过大时隔离膜容易产生变形甚至扯断，张力过小时隔离膜容易出现褶皱、回缩，导致纠偏传感器无法正常纠偏，使隔离膜产生叠偏现象，严重影响锂电池的性能。常用的张力控制方案是采用 重力块和重力传感器 控制系统张力、 直线电机 进行恒力矩控制，以及采用 旋转电机 或 磁粉离合器 配合张力摆杆控制系统张力等。 2. 正负电极片移送精度：正负电极片从定位台到叠片台的移送精度是保证叠片精度的关键因素之一。通常，叠片机上会安装机械臂对电极片进行吸附，只有保证了电极片每次移送后的 重复精度 ，才能保证在定位台上的定位精度没有变化。 直线传动 ，是锂电生产过程中必不可少的传动单元。机械臂传送的执行机构采用 宏集高精度直线电机模组 ，可以帮您轻松实现锂电池叠片过程中电极片的精密平稳移位。 在宏集提供的直驱技术解决方案中， 宏集 CTL 直线模组 ，是一款通过内置高性能 直线电机驱动 的直线模组，外观和设计荣获过著名设计奖。外观紧凑，性能极高，耐腐蚀防护盖保护装置内部免受灰尘或颗粒等环境影响。 宏集 CTL 直线模组没有背隙，外形紧凑，提供不同的行程长度选择，可适用于广泛的应用场景。此外，也可配备线缆拖链，特别适用于 高动态 和 低噪音 的应用。 宏集 CTL 直线模组关键特性： ·尺寸 ： 145, 200, 250 ·运行速度 ： 5.0 m/s ·重复定位精度 ：± 0,001 mm ·持续力 : 高达 1125N ·峰值力 : 高达 2475N ·行程 ：最高可达 5790mm ·安装高度低 ： 85mm ·内置测量系统 ·中央润滑系统 ·低齿槽力 ·可加装拖链 结语 宏集直驱技术解决方案 ，帮助锂电池叠片设备实现了 效率 和 性能 的大幅提升。同时，直驱技术减少了对机械系统部件的需求，且结构紧凑、噪音小、无需维护， 节约了设备成本 ，极大地提升了叠片机设备制造商的市场竞争优势。

通常很多人做电池检测的时候，将 UN38.3 和 MSDS 混淆或者认为是同一个认证，这对办理检测有非常大的影响。 MSDS 是化学安全技术说明书，是一份对锂电池成分以及应急处理的文件， UN38.3 是对锂电池的一份安全检测。因为锂电池要空运，经常要求一并提供 UN38.3 和 MSDS ，因此很多人误认为 UN38.3 就是 MSDS 。 UN38.3 认证与航空安全鉴定书 航空安全鉴定书是获得锂电池 UN38.3 检测报告通过之后，向民航总局授权的机构申请之后 ， 获得的证书 UN38.3 类似检测标准 国际及欧盟标准 : · IEC/ EN 62133( 便携式密封二次电芯与电池 ) · IEEE 1625( 可携式电脑可充电电池 ) · IEEE 1725( 手机的可充电电池 ) · IEC/ EN 60086-1,60086-2,60086-3( 一次性电池 ) · IEC/ EN 60896-21&-22( 固定式阀控铅酸蓄电池 ) · IEC/ EN 61056-1&-2( 便携式阀控铅酸蓄电池 ) · IEC/ EN 61951-1( 镍 - 镉电池 ) · IEC/ EN 61951-2( 镍 - 氢电池 ) · IEC/ EN 61959 · IEC/ EN 61851-1&-21&-22 · IEC/ EN 62196 · IEC/ EN 60950(IT 类产品检测 ) · IEC/ EN 61960( 便携式充电电芯与锂电池 ) · IEC/ EN 62282( 燃料电池