两轮电动车电池包从概念到成品-关于电芯

1. 两轮电动车电池包从概念到成品-关于电芯

电芯想必大家都很熟悉，它是锂离子电池包的储能元件。其基本原理就是利用电芯正负极两者不同性质的化学物质进行可逆的氧化还原反应，从而形成充放电过程。不同的材料有不同的电势差差异，因而形成不同的电压。当前普遍使用的三元电芯的额定电压是3.6v，无论单个电芯的体积如何变大，电芯只会增加容量而不会改变电压。因此，想要得到更高的电压，就必须通过电芯的串联来实现。串联增加电压，并联增加容量。

按照不同的分类原则，电芯可以有多种分类，如：
①按照正负极材料不同进行分类；
②按照外形封装形式不同进行分类；
③按照用途不同进行分类。
以上只是我们实际使用中最为常见的分类方法，实际上，不同的应用场景完全可以根据需求进行任意分类。甚至上面的某一个分类下面，也还可以进行更细的细分类别。

按照正负极材料进行分类
大家经常在说的三元电池、磷酸铁锂电池和钛酸锂电池其实就是按照电芯的正负极材料在进行分类。其中三元电芯指的就是电芯的正极材料为三种元素组成。具体上，国内的三元和特斯拉所使用的松下三元略有区别。国内的三元，我们称之为镍钴锰（NCM）三元，指的是电芯的正极材料由镍钴锰三种元素组成，而松下的三元是镍钴铝（NCA）三元。在三元电芯分类下，按照三种元素的不同配比，又有细分的材料体系。不同的配比，电芯具有不同的性能。目前国内最成熟常用的是523电芯，除此之外，也一直在研发高能量密度的高镍三元（811，镍占比80%），目前已经实现量产。
磷酸铁锂（LFP）的命名与三元电芯一样，磷酸铁锂指的就是电芯的正极材料。磷酸铁锂和三元都是正极材料，其负极一般为石墨。
这里需要注意的是钛酸锂电池，不同于三元和磷酸铁锂，钛酸锂是负极材料，而不是正极材料。负极材料钛酸锂可以与正极材料磷酸铁锂和三元分别组成电芯，也就是我们所说的钛酸锂电池。
除了上述三种电芯以外，还有多种电芯材料，如锰酸锂钴酸锂等，但是在动力电池领域基本已经很少出现。由于动力电池对能量密度的要求，三元电芯的占有率是最高的，其次是磷酸铁锂，而钛酸锂则在大巴和特殊场景上有少量应用。下面，我们一起来对比下各电芯的性质：


对比来说，磷酸铁锂的循环寿命要大于三元电芯，且在安全性和成本方面有优势。而三元的能量密度却有着绝对的优势。
就电压平台来说，三元的电压平台要高于其他材料，三元电芯额定电压一般3.6V，而磷酸铁锂为3.2V，钛酸锂则在2V左右。
按照外形封装进行分类
如大家经常所见的一样，我们常说的18650、方壳、软包等，就是按照电芯的外形分类的，一般有三种：
①圆柱电芯；
②方壳电芯；
③软包电芯。
其中圆柱电芯的标准化程度最高，目前18650电芯应用非常广泛，其周边配套材料也相应具有较高的标准化水平。圆柱电芯的外壳为钢壳材料，整个底面和侧面都是负极，顶面为正极。

圆柱电芯的命名方式一般为五位数字：直径尺寸+高度尺寸+0，如26650电芯，表示圆柱电芯直接26mm，高度65mm，末尾的0表示圆柱形。
方形电芯的命名方式与圆柱电芯类似，但是方形有六位数字，各用两位分别表示厚度、宽度、高度。
以上只是我们常用的命名习惯，如果需要标准化的命名，可参考IEC61960标准。

方形电芯和软包电芯的标准化程度较低，一般都是根据需要进行尺寸定制。其中方形电芯的外壳材料一般为铝，因此也被叫做方形铝壳电芯。软包电芯的外壳为聚合物材料，当然也可以叫做铝塑膜。

下面，我们一起来看看三种电芯的差异：
圆柱电芯标准化程度高，周边材料标准化也高，其体积较小，因此成组方式非常灵活，各种空间都可以使用。方壳和软包电芯体积一般较大，按照空间进行定制尺寸。因此，在实际使用中，对小规模或者单件电池包需求，圆柱电芯是最常用的。
按照使用场景分类
最后一种分类方法比较简单，就是按照用途分类，大体上，我们一般分为动力电芯和数码电芯。其中动力电芯指的就是用于动力电池的电芯，而数码电芯则是用于消费类电子产品的电芯，如笔记本电能，手机充电宝等。

动力类电芯的要求更为严格，比如更高的能量密度和功率密度。即要求相同的体积和重量，能输出更大的功率和电量。除此之外，还有更严苛的工作环境和使用寿命要求，当然安全性也是一个重要的考虑因素。
好了，电芯的信息就和大家分享到这里，下一次，我们将会重点讲解锂电池保护板相关的信息，大家有疑问的可以提前留言哦。
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本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

2. 两轮电动车电池包从概念到成品-锂电保护板分类与概述

本节内容我们将会来分享电动车电池保护板相关的信息。顾名思义，保护板就是用来保护电动车电池的，如果没有保护板，那么这个电池可能充放电一两次就坏了。保护板是锂电池系统中非常关键的一个部件，在电动汽车电池中，我们所说的电池管理系统（BMS）其实就是保护板的终极升级版。在使用铅酸电池的电动车中，是没有保护板一说的。

由于保护板的信息量非常大，我们把这个部分内容分成两块来说。今天，我们主要是从宏观角度来说，为何锂电池需要保护板，保护板有哪些类别。下次，我们会对保护板功能进行细分，分享其每一个功能是如何实现的。而在最后面的案例中，我们会和大家一起来挑选一款保护板，让大家知道如何去配置一块保护板的各个参数。

为何锂电池需要保护板，而铅酸电池不需要保护板：
锂电池能量密度高，电池内部化学物质活性强。当电芯出现过充、过放等非正常使用时，极有可能出现电池损坏，极端情况下，还会导致起火和爆炸。因此，锂电池需要有一套监控系统，随时监控锂电池的电压，电流等参数，一旦超过事先设定的阈值，则直接关断电池主回路。

按照惯例，要了解和熟悉保护板，我们先来对保护板进行一个分类。通常，区别最大的两种分类方法是：
按照是否能够编写程序分为硬件板与软件版；
按照充电和放电是同一个输出口还是两个不同输出口分为同口保护板与分口保护板。
而实际使用中，最常见的分类方法是按照保护板所适配的锂电池串数、电芯类型和持续放电大小来分的。
硬件板与软件板
所谓硬件板，就是保护板上没有可以进行编程的芯片，只是按照特定的线路进行连接，保护板的参数是固定的。这一类保护板一般成本较低，功能简单，很难实现逻辑上的特殊控制要求。而软件板则是在硬件板的基础上，加了可以编程的芯片，因此这类保护板除了实现基本功能以外，还能实现很多特殊的功能。只要通过修改程序和添加外设，基本可以实现任何功能。比如远程引爆车辆中的锂电池。

分口与同口保护板
保护板为了现实保护电池的功能，必须要能够主动切断电池主回路。因此，在电池包内部，电池的主回路是要经过保护板的。为了对充电和放电都能进行控制，保护板必须具有两个开关，分别控制充电和放电回路（姑且这么理解）。在同口保护板中，这两个开关串在一条线上，接到电池包外部，充电和放电都经过此线。而在分口保护板中，电池分出两根线，分别接充电开关和放电开关，再接到电池外部。

之所以会出现同口和分口保护板，是为了降低成本：一般电动车锂电池包的充电电流要比放电电流小，如果两个开关串到一条线上，那么两个开关就得照着大的买。而分口的话，充电电流小，就可以用一个更小的开关。这里说的开关，其实就是MOSFET，是锂电保护板的主要成本，而且国内相关产品技术受限，核心部件需要进口。

按照串数和持续放电电流大小来分
串数比较好理解，常见的7串（三元24v），13串（三元48v），17串（三元60v），20串（三元72v）。保护板需要采集每一串电芯的电压，因此串数不同，保护板是不同的。而电流大小，就是决定了如上所说开关的大小（MOS数量），对价格的影响很重。

最后就是按照电芯材料来分
不同的电芯材料，放电截止电压和充电截止电压是不一样的。因此，所使用的保护板也是不一样的，最常见的就是三元保护板和磷酸铁锂保护板，一般三元电芯电压范围为2.7-4.2v，而磷酸铁锂则是2.5-3.6v。

大的层面就先说到这里，下一次，我们将对保护板的各个功能进行比较详细的说明，让大家对保护板有更进一步的认识。
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3. 两轮电动车电池包从概念到成品-保护板的功能和参数

在上一次的内容中，我们从大的角度，和大家分享了有关电动车电池包保护板分类相关的信息。现在，就让我们和大家一起，进一步走进锂电保护板的世界。
两轮电动车电池包从概念到成品-锂电保护板分类与概述

今天，我们要跟大家分享的主要是锂电池保护板功能和参数相关的信息。锂电池的保护板之所以叫做保护板，可以理解为它是一块用于保护锂电池的pcb板。对于锂电池的保护，最基本的就是电压保护和电流保护，除此之外，还有温度保护等。

在为电池包配置保护板时，一定要选择参数相配的保护板，既要和电池的参数相配，也要和目标用电器的参数相配。电池的参数好理解，就是电压电流等，用电器的参数，以电动车为例，就是要和电动车的控制器相匹配。那如何选择和适配保护板呢？

从大的角度来讲，首先是电芯类型要选对，磷酸铁锂和三元等不同的电芯和保护板是不能搭配使用的，电芯和保护板要一致，这是电压的角度。除此之外，保护板的保护参数也应该和用电器的功率进行匹配，主要是从电流的角度来考虑。

那从细的方面来讲，保护板的参数如何选择呢？我们先从电压的角度来说。锂电池是非常危险的东西，过充过放都有可能导致意外情况的发生。因此，在电池包内部，保护板需要监控每一串电芯的电压，当所有电芯中只要有一串电压低于或者高于设定电压，保护板就需要进行保护。这个地方就出现了我们保护板关键的一组参数，充电截止电压和放电截止电压。保护板在检测时为了避免干扰，确保数据准确，一般都有延时，不会在检测到以后立即就保护，因此又有一组充电保护延时和放电保护延时参数。另外，当保护板保护以后，如果异常情况消失，保护板还应该恢复正常，顾此处又有一组保护电压恢复的参数。
现在，我们一共有两组共六个参数：
过充电压、过充保护延时、过充恢复电压
过放电压、过放保护延时、过放恢复电压

下面，我们来看电流保护相关的参数。保护板的电流保护，一方面是防止充电电流太大，另一方面是防止放电电流太大。过大的电流，会伤害电池，也可能烧坏保护板自身。首先，保护板有一个基本的关键参数：放电电流和充电电流。该电流是保护板的持续放电或者充电电流，它代表了保护板自己的载流能力，和电池无关。除了该参数以外，保护板还有一对电流参数，即充电保护电流和放电保护电流。顾名思义，就是在充电或者放电过程中，电流超过该值的大小就关断。同之前的道理一样，电流的保护也是有延时的，不过电流保护的恢复是自动的，只要电流减小就会自动恢复。
现在，我们又多了两组共4个数据和一对单独的数据：
放电过流保护电流大小、放电过流保护延时
充电过流保护电流大小、充电过流保护延时
持续放电电流、持续充电电流

短路保护，同过流保护一样，当电流超过设定值时切断回路。也有延时控制功能。不过恢复模式有两种，主动恢复和被动恢复。
温度保护，温度保护分上限温度和下限温度，当温度超出该范围时，保护板关断电池。不同的保护板功能不一，有些只有高温保护，有些高低温都有。而有些可以设置充电和放电不同的保护温度。这主要是和保护板所使用的芯片有关。关于具体的东西，后面会更详细的说一下。

上面，我们说了保护板的电压过充和过放保护，电流过流和短路保护，温度高低温保护。其中电压、电流保护，高温保护是保护板的基本功能，前两项更是必不可少的，高温保护也相对比较重要。下面，我们就来说说保护板的自身参数，比如自耗电和内阻等，他们不起保护作用，但是对电池的性能是有影响的。

自耗电，自耗电分为工作自耗电和静态（睡眠）自耗电，保护板自耗电的电流一般是ua级别。工作自耗电电流较大，主要为保护芯片、mos驱动等消耗。保护板的自耗电太大会过多消耗电池电量，如果长时间搁置的电池，保护板自耗电可能导致电池亏电。

保护板的主回路内阻也是一个很重要的参数，保护板的主回路内阻主要来源于pcb板上铺设阻值，mos的阻值（主要）和分流电阻的阻值。在保护板进行充放电时，特别是mos部分，会产生大量的热，因此一般保护板的mos上都需要贴一大块的铝片用于导热和散热。

好了，上面就是一个保护板的基本功能和参数了，除了这些基本功能以外，为了使用不同的应用场景个需求，保护板还有各种各样的附加功能（如均衡），特别是带软件的保护板中，功能更是异常丰富，比如蓝牙、wifi、GPS、串口、CAN等应有尽有，再高阶一点，就成了电池管理系统了（BMS）。
后面的内容中，我们会进一步为大家分享锂电和保护板相关的信息，感兴趣的读者可以点击关注！
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