锂电池相关知识

因为看到别人做平衡车直接使用18650电池供电，整整齐齐地码了3颗在PCB上感觉十分优雅，所以自己也想要用18650做一个，奈何对这方面一无所知，索性把相关知识都学一遍吧。

因为网上资料实在是纷繁复杂，什么说法都有，本人也不是科班出身，故文中内容可能会有错误，请大家辩证看待。

1. 电池的分类

1.1 按电解质的状态分类

锂电池的种类非常多，广义的锂电池包括锂原子电池和锂离子电池（Li-ion），锂原子电池是一次性电池，不可充电。而锂离子电池是可充电电池，它包括聚合物锂离子电池（Li-Po）和液态锂离子电池。由于液态锂离子电池使用量大，所以狭义的锂电池指液态锂离子电池，聚合物锂离子电池一般也被简称为聚合物电池。

聚合物锂电池Li-Po

聚合物锂电池的电解质可固态可胶态，所以它可以被做成任意形状，因为没有金属外壳包裹，所以聚合物电池的重量会更轻。目前市面上的聚合物锂电池一般都是软包电池，使用铝薄膜作为外壳，当发生异常的时候，内部会气胀并发生鼓包现象，给人一个明显的反馈，让使用者及时更换电池。

因为电解质是固态或胶态，不会流动，所以不会发生像液态锂电池那样的漏液现象。又由于外壳是软材质，所以不会发生爆炸现象。聚合物锂电池的优势是容量大，在相同体积的情况下容量要比液态锂离子电池大20%。

我们平时常用的航模电池就是聚合物锂离子电池。它用在航模上当然是因为重量更轻，体积更小，续航更强啦。

液态锂离子电池

因为电解质是液态，所以需要一个坚固的外壳作为容器，这就使得液态锂离子电池的质量更大，形状比较固定。液态锂离子电池的能量密度比聚合物锂离子电池低，所以容量上会更小。虽然聚合物锂电池在容量、形状、质量、安全性上都比液态锂离子电池优秀，但现在使用更多的还是液态锂离子电池，这是因为液态锂离子电池更易于制造，成本更低，液态的电解质也使得导电率更高，放电倍率也要更高。

为了改善液态锂电池的安全性，厂商做了很多努力，排气孔就是一个例子。排气孔是在电池外壳上的特殊设计，能够迅速排出电池内的废气，避免电池膨胀爆炸。

1.2 按电解质的化学成分分类

上面所说的聚合物和液态指的是电解质的状态，如果按照化学成分进行分类，电解质的种类也有很多

1. 磷酸铁锂 2.5~3.6V
2. 锰酸锂   3.0~4.2V
3. 钴酸锂   3.0~4.2V
4. 镍钴锰酸锂3.0~4.2V
5. 钛酸锂   1.8~2.85V

同一种电解质可以被做成不同的状态，所以我们可以同时找到磷酸铁锂的聚合物电池和液态锂离子电池。

在以上这些种类中，我们用的最多的是镍钴锰酸锂电池（三元锂电池）和磷酸铁锂电池。

三元锂电池的能量密度大于磷酸铁锂电池很多，也就是说，在相同的容量下，三元锂电池拥有更小的体积和重量。同时，三元锂电池的充电效率在10C以上会远大于磷酸铁锂电池（这一点我们做电子设计的感知不强）。但是磷酸铁锂电池也有很大优势，它的材料决定它短路不会燃烧，安全性能要比三元锂电池好。磷酸铁锂的循环寿命也要优于三元锂电池，在多次充放电后，磷酸铁锂的容量会显著高于三元锂电池。

1.3 按外形分

锂电池还有一种按照外形的命名方式，也就是我们常说的18650等。18650的18表示直径是18mm，65表示长度是65mm，0表示外形是圆柱形。此外，近几年还新发展出了21700电池，单体体积比16850大，能量密度也要远大于18650电池。

1.4 按放电能力分

锂电池按照放电能力还能分为普通电池和动力电池。普通电池能达到的稳定放电电流在1C及以下，能达到1C以上的就算作动力电池。

电池的C数指的是稳定放电电流与电池容量的比。如果一颗2000mAh的电池能达到的稳定放电电流是2A，那么这颗电池的C数就是1C，也就是1倍的放电倍率。

锂电池的内阻也与放电能力有很大关系，一般普通锂电池的内阻为30-55mΩ，而动力电池的内阻能达到30mΩ以下。根据这一点，我们可以通过测量内阻的方式来区别电池是不是动力电池。这里要小提一下，用外用表直接测内阻是不准的，还容易烧表，正确的方式是使用数字电桥。在制作锂电池组时，最好将内阻相近的电池组在一起，这样可以减小电池个体差异对电池组的性能影响。

2. 电池组

下面的讲解部分参考这个视频

一次把DIY电池组需要知道的都说清；先并还是先串？哪种更好？什么是安时Ah？瓦时Wh？_哔哩哔哩_bilibili

由于一颗电池的容量小，电压低，在很多情况下不能满足我们的需求，所以我们就需要将多块电池组成电池组来提升电池的供电能力。当容量不够电压够时，我们会将电池并联，当容量够电压不够时，我们会将电池串联，而如果容量电压都不够，我们就要选择先串再并或者先并再串了。

我们通过下面三个影响实际电路正常工作的因素来分析先并再串和先串再并的优缺点

电池间的充放电不均衡
电池短路
电池断路
电池间充放电不均衡

我们都知道锂电池是不能过充过放的，充电不能大于4.2V，放电不能低于3.6V，否则就会损伤电池。如果电池串联，在充电时，虽然总电压达到了4.2*3=12.6V，但其中的单个电池的电压不一致，可能会出现有的超过4.2V，有的没有达到4.2V的情况，这时有的电池就过充了，这颗电池在充放电次数多了之后就会很快损坏。如果电池是并联，就不会出现这种电池电压不均衡的情况。

所以串联电池组要做均衡，并联不需要。当我们先串在并时，需要给每个串联支路加装均衡电路，再将每一路并连起来。而当我们先并再串时，只需要一块均衡电路就可以做好均衡了。

电池断路

如果出现电池断路，在先串再并电路中就是有一路并联电池组断路了，整个电池组表现为容量下降；在先并再串电池组中就是有一颗电池断路了，整个电池组缺失的容量较小，但此时会给均衡电路带来很大的压力。

电池短路

如果出现电池短路，串联支路的电压会下降，在先串在并的电池组中，没有出现短路的串联支路会给出现短路的串联支路充电，很容易发生电池过热、boom的情况。所以我们需要在每个串联支路上加装保险丝。如果是在并联电路中，短路的那颗电池会将与它并联的电池正负极短路，瞬间产生极大的电流，非常危险。为了避免这个情况，我们就得给每一颗电池都加上保险丝。

总结

先串在并需要在每一条支路加上均衡板和保险丝，先并再串只需要一块均衡板，但需要给每块电池加上保险丝。由于电池被击穿短路的情况比较难发生，而且现在的电池内部一般都已经集成了保险丝，所以在中小功率的电池组中一般都是使用先并再串的方式以减少均衡电路带来的成本。

了解完上面的知识，我们还需要额外学习一些重要参数的定义来帮助我们设计和选购电池组。

安时或毫安时（Ah\mAh）：它指的电池在一小时内完全放电的电流。比如1000mAh指的是电池在以1000mA的电流放电可以放1个小时。

瓦时和毫瓦时（Wh/mWh）：它指的是电池在一小时内可以做多少功。瓦时等于电池组的电压乘以安时。

标称容量：指电池理论上一共有多少电量。

额定容量：指电池组实际放电能放出的电量。因为电池组在经过保护板、变压电路放电时会有能量损耗，所以额定容量一般都会小于标称容量。

3. BMS 锂电池管理系统

3.1.均衡电路

我们在使用锂电池时一般都会进行串联来提高电压，由于锂电池个体间的差异，在充放电的时候每个锂电池的电压都不一样，这样就容易造成某些电池经常过放，另外某些电池经常过充的情况，造成电池组的寿命大打折扣。所以，为了保护电池，我们需要使每个电池均衡充电、均衡放电，这就要使用均衡电路了。

均衡电路分为两种，一种是主动均衡，另一种是被动均衡。

被动均衡一般通过电阻和mos管进行放电，使电压较高的电池以热量形式释放掉多出来的热量，让所有电池的电压靠近电池组中电压最低的电池的电压。这个策略只能在充电中使用，在放电中无法使用。被动均衡的优势是电路简单，成本较低。

在网上搜锂电池被动均衡电路就能找到很多，我这里贴出来一张仅供参考，均衡电路像这样一级一级串起来就可以增加被均衡电池的个数。

而主动均衡可以将电压高的电池的电量释放给电压较低的电池，使整个电池组的电量平均分配，并且在充电和放电时都可以使用。很明显主动均衡的效率要远远高于被动均衡，但主动均衡的电路、算法复杂，成本较高。

主动均衡一般是通过专门的IC实现的，现在市面上用得比较多IC的是BM3451和ETA3000，这里贴出BM3451的说明作为参考

这个视频里介绍了很多锂电池保护IC，感兴趣的可以看一下

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3.2 充电保护

一般的BMS单独指锂电池充放电时的均衡保护，但是如果想更好地呵护锂电池，我们还需要留意并时刻调整充电时的电压电流。为了达到最大充电效率又不损伤电池，我们会在电池电压低的时候使用恒流充电，电压高时使用恒压充电，避免在电压低的时候充电电流过大导致发热，电压高的时候充电太快导致过充。现在的充电IC有两种，一种是降压充电，一种是升压充电，放宽了对充电器电压的要求。下面是降压充电保护芯片IP2365的充电过程说明