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标题: 大功率电池充放电保护器的设计和制作 [打印本页]
作者: fanzhenbo 时间: 2019-6-16 20:25
标题: 大功率电池充放电保护器的设计和制作
本帖最后由 fanzhenbo 于 2019-6-16 21:17 编辑
事情的起因是这样的，因为北 京要限制超标电动车，所以头脑一热，从网上订了个绝对超标的电动车，电动车的电池是72V60Ah的。配的充电器也还行，挺重的，但是充电电流还只有10A，充电速率只有1/6C，太低了点，为了加快充电速度，又买了个18A的充电器，18A也没超过0.5C，不过考虑插头插座的容量和总功率，没有找更大的，在楼外面做了个充电箱。因为经常听到电动车充电引起的火灾，我这个又是个大个的电池，这种动力电池不少都没有电池保护电路，虽然是在楼外面充电，但万一着火了，这个动静也不会小，所以为了尽可能出事，就产生了做一个充电保护的装置的想法，在淘宝上也试图找找现成的产品，发现要么是单纯的电池容量显示，或者是简单的定时器，要么只是充满电流降低检测进行关闭电源的保护器，实在是没有什么比较合适的成品，所以只好自己去做一个了。
在淘宝上逛的时候，现在淘宝找东西也真不容易，垃圾一大堆，搜索也又各种猫腻，想按照自己的想法找到适合的东西实在是很难，最终找到了一款库伦计，电压能到90V，并且带各种保护功能，价格也适中，于是买了一个进行测试，为了进行意外情况的保护，需要进行关断的操作，可以切断220V总电源，或者切断电池，最终决定，为了符合电池测保护的作用，并防止因为充电器短路造成的过电流，最终决定切断电池，不过这样一来麻烦就来了，一开始没太注意切断电池有两种方法，一种是采用低导通电阻的 MOSFET，另一种是采用传统的电磁继电器，主要是MOS管方案虽然体积很小并且价格不贵，但是总归比继电器的可靠性要低，毕竟继电器不通电就不导通，顶多就是触点接触不好造成触点烧毁，没什么太大的副作用，只要驱动不出问题，不会出现击穿问题，而且这种保护器正常使用也是常闭，不会频繁切换，所以就更不容易出现这类问题，也考虑过固态继电器，但导通电阻太大而且也很贵。但这样一来，麻烦就来了，一开始没太注意，光看电流了，从网上买了个100A的继电器，等收到了一仔细看说明书，电压才能支持直流32V。
现在能支持交流220V的继电器很好找，但能支持直流高电压的继电器太少了，并且价格非常贵，经过不屑的努力，终于找到了一款DC100V,电流能到50A的继电器，本来像选100A的，价钱贵太多了。等拿到继电器一测，继电器的电流要200mA到300mA，库伦计上面的继电器驱动管只是TO-92封装的，功耗就不够，没法法，继续满淘宝找现成的继电器驱动板，最后只找到一种光耦隔离的驱动板，功率倒是够，就是有点大，接线也有些麻烦，为了能够方便充电箱的安装，找了个PLD控制器的外壳，把库伦计和驱动板给装到里面去了，
样子一般吧，不过用起来也没什么毛病唯一的问题就是电池组做在电动车里面了，不容易把温度探头装进去，温度检测只能用在充电器上了。最终组装完的充电箱就是这个样子的。
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做完了充电箱，偶然关注到论坛上的帖子，有几个因为充模型电池着火而造成的惨痛事故，想到航模电池也是没有电池保护板，并且为了充的快，充电电流也不小，一旦过充很容易造成事故，再想到我自己做的充电保护，觉得用在航模电池充电或方便保护上也应该合适，库伦计除了容量显示，也可以过欠压保护，过欠流保护，温度保护，容量保护等。不过用在模型上面就不能像我用在电动车充电上面那么粗放了，怎么也要能和模型充电器的档次相差太多，怎么也要体积不能太大，并且外观要好看些，接口也要用着方便等等，于是继续根据已有的器件的尺寸进行外壳和面板的寻找和设计，为了省钱，尽可能去找现成的外壳，但是为了好看，普通塑料的也不能用，最后根据CAD的设计，找到了一款比较小的铝型材，能够把继电器，电路板，表头什么的塞进去。为了好看和方便，保护器没有使用外接的引线，而是采用了插头插座的连接，因为设计电流是50A，并且要考虑插头的体积，接触电阻和是否能做成面板安装方式等，最终选用了一款一体式的直径是8毫米，内部带消拔插火花电阻的插头座，就是价格贵，要24一对，比普通香蕉插座贵多了，比普通的8mm接插件也贵3倍，但是普通香蕉插座接触电阻太大，普通8mm接插件又很难做成面板安装方式，模型用的插头座当然不能直接进行面板安装，需要重新设计适合的固定座，加工的时候因为厚度很厚，少量机加工的价格比较贵，最后不得不采用3D打印的方式来制作，就是做好的东西精度一般，需要打磨才可以，不过因为是放在内部，外观倒是无所谓，插头插座用机米螺钉进行固定，最后再用螺丝固定再外壳上。
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当拿到铝型材外壳的样品后发现，库伦计原配的电流检测继电器驱动板虽然尺寸正好能放进铝型材外壳内，但是板子上器件和引线距离铝壳太近，如果为了避免短路或打火的隐患，必须用绝缘胶带进行隔离，不好看也不方便安装，于是重新找了分流器，重新设计了板子，并且把继电器驱动三极管换成大电流的，就不需要单独的驱动板了，把驱动板接上表头和继电器进行测试，用热成像仪看了下，驱动三极管的温度不高，没有任何问题，继电器还是挺热的，12V200mA的功耗确实不低。
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面板就没现成的了，只能根据铝型材和所需的功能进行设计，考虑了铝合金，玻纤板和碳纤板，PP板等，综合了价格和外观，最后选择了黑色玻纤板，我更倾向于碳纤维板，不过碳纤维板的报价要贵几倍，不得不放弃了，当然，如果有人舍得掏钱就另说了，不过玻纤板加工也不算便宜，上面有倒角和挖槽。
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板子和外壳上的接插件都用上了我之前给音响上的高级镀金件和进口的接线柱，绝对不含糊。
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做里面的连接线的时候出了问题，之前做电动车接线时用的铜线鼻子太大了，用我的硕大的压线钳也压不住线，
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没办法，只好重新买适合的铜线鼻子和小的压线钳，结果第一次买的泽光品牌的冷压端子，号称0.8mm后，结果收到后卡尺一量才0.5mm厚，太偷工减料了。
不爽，继续往上找，最后又买了凤凰品牌的1mm厚的冷压端子，到货实际是0.9mm，还可以，下面的照片可以很容易看到大小和厚度的差别。
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为了防止因为热缩管太薄，安装和日常使用时磨破了，又买了冷压端子专用的绝缘套，按照内部适合的长度和走向把线压好弯好，拧到继电器和检流板上，华胜的压线钳还行，不贵。
最后一个让我很纠结的就是内部要不要放保险丝，如果放了，问题就是如果因为电池短路烧掉了，更换起来会很麻烦，因为大连流的保险管没有体积小又带座的，而且会附加一定的电阻，如果不放保险丝又真怕那些不小新的人短路了插头造成危险，虽然库伦计带过流保护，但毕竟速度是比较慢的（虽然保险丝实际速度也不算快，但毕竟还是能保证烧断的），最终还是决定装上，找的是一款80A的片式保险丝，没法用座就只好焊在引线中间了，以后也可以考虑外置串在输入线上，或用个电动车的直流空开。
内部的东西都准备好了，该做头的做头，该拧紧的拧紧，把线也焊上并且套好热缩管和绝缘套。铝外壳为了防止内部短路，在壳子的底部和上测螺丝的部位都贴上了0.3mm厚的玻纤绝缘板，
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最后把整套机芯塞进壳子，内部空间还是比较紧凑的，靠里面的电线就可以把各个部分固定紧了。装上面板和侧板，在外壳底部贴上硅胶脚垫，整机看起来就像点样子了。
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电池保护，温度的检测是很关键的，为了能够保证可靠的温度感应，并且避免损伤电池，没有选用圆柱或圆点的温度探头和方形的温度探头，找到了一种薄膜封装的薄片探头，可以很方便用胶带贴到电池上，缺点就是探头比较脆弱，需要仔细，不过也没几块钱。探头的插头为了换线方便，买的是3.5mm的转接头，就是个头偏大，不过这个也好办，小的插头有的是，只不过焊下就好，也没有极性问题。
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最后当然是插电测试了，12V的电源是网上买的名牌路由器配电源，为的是可靠，当然杂牌的也问题不大，顶多就是烧掉保护器或没电，继电器的好处就是没电了就断掉了。
插上电源和温度探头，让继电器吸合，连续工作了几天，继电器对应的外壳位置有些温度，用热成像仪看了下整体情况，一切正常。
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保护器的保护功能包括了超功率，过电压保护、欠电压保护、过电流保护、过温度保护。能够显示电池电压，充放电电流，充放电功率，充放电容量值和百分比，温度和充电时间，功能还算不错，除了可以当充电保护器外，当放电保护器也没问题，花百八十元配上个大功率的可调电阻，可以当个放电器来使用，配个能衡流或限流的电源，当充电器也没问题，当功率计惨点，因为继电器的容量问题，别超过50A用。
下一步的工作就是电流电压的校准和实际的带载测试了，因为相需要准备高精度的电流表和大功率负载，会在另外的文章进行系统说明。
作者: litong_874 时间: 2019-6-16 20:38
那么多字全都没看，谁跟你说电动车锂电池没有保护板的？
作者: fanzhenbo 时间: 2019-6-16 20:53
很多确实没有
作者: fanzhenbo 时间: 2019-6-16 21:16
就算有，加个二级保护也更可靠，毕竟电动车充电着火的情况也出现不少了。
作者: 口贝 时间: 2019-6-16 21:56
锂电池基本上着火和保护板关系不大，现有的的保护版已经很不错了。剩下容易导致电池故障的也不是加几个保护的问题的了
作者: 口贝 时间: 2019-6-16 21:57
锂电池有专用保护板，淘宝搜一下就有。很不错的，集成度很高。
不过人生就在于折腾，自己做的心里有底
作者: lovefly@2012 时间: 2019-6-16 22:22
LZ 动手能力太强大了
作者: 千红 时间: 2019-6-16 22:45
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我表示很难理解楼主为什么要买一辆“绝对超标的电动车”，并且“为了尽可能出事” 
作者: fanzhenbo 时间: 2019-6-17 09:35
为了玩么! 淘宝上是有些多串的电池保护板，但是那是组电池组的时候用的，我不是为了做电池组，只是为了充电能看下容量并且能加个额外保护。
作者: hackchen2016 时间: 2019-6-18 11:36
老铁你这可以申请专利批量生产了，太牛了！就需要你这样的研究和动手实践的人！
作者: fanzhenbo 时间: 2019-6-18 12:51
没什么可申请专利的，都是淘宝找的东西，你愿意你自己也可以做。我就是设备全点，其它也没什么。
作者: taijilaoying 时间: 2019-6-18 16:37
善于折腾 俺喜欢
作者: caosix2 时间: 2019-6-19 15:59
有点 折腾 。库伦计 测量充电容量 原理倒不难理解 。
其实 现在 我发现 ： 磷酸铁锂电池 容量一致性 很高 。
而且 随便放上 1、2年 居然 电压 还是 3.33V 我的天 。
换做是 聚合物电池 放置两年不管它，几乎就鼓包报废 。
作者: fanzhenbo 时间: 2019-6-20 20:07
本来磷酸铁锂就比锂聚合耐用啊，尤其是航模电池只考虑短时间放电的类型。
作者: fanzhenbo 时间: 2019-9-1 20:45
当放电器用确实不错！
作者: fanzhenbo 时间: 2020-1-14 09:55
又做了个充电插座并联板，过几天放上来。
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