今天下午收到有为智能车竞赛提供车模的广东博思公司发送过来的两组电池:锂电池和镍氢电池。将来用于替代早期的镍镉电池。由于镍镉电池具有污染环境的缺点,现在根据国家的规定,镍镉电池将会逐步被淘汰。

 

▲ 快递发送过来的锂电池包裹

 

随着组别的增多 ,车模的形态也逐步丰富起来,对于电池的要求也有很大的改变。在车模运动中,电池的放电功率决定车模在赛道上的运动的速度和灵活性。所以用于车模竞赛的电池最重要一点就是能够提供足够大的放电电流。

 

▲ 两个锂电池(蓝色)两个镍氢电池(黑色)以及一个充电器

 

由于这是用于测试电池,所以电池上没有任何铭牌和标识。一些特性只能通过测试来确认。

 

对于锂电池,由于它的能量密度很大,在外部断路的情况下,往往会引起电池的爆燃和损毁。一般要求其内部有电流保护电路板。打开锂电池,从外观上来看,在顶部有一块外部引线板,没有其半导体器件,所以看不出它具有电池保护功能。

 

▲ 锂电池中没有电流保护板

 

01 电池端口电压

使用稳压电源对镍氢电池进行充电,充电电压上限设置为 8.4V。使用同时寄送过来的充电器对锂电池进行充电。充电之后进行分别测试两种电池的端口电压:

 

(1) 镍氢电池:电池 1:7.487V;电池 2:7.501V

(2) 锂电池:电池 1:8.344V ; 电池 2:8.320V

 

02 电池短路放电电流

短路放电电流反映了电池瞬间最大的放电能力。这在驱动电机时也决定了电机的瞬间功率。它越大,说明电池的动力性能越高。

 

1. 测试方案

使用一个大功率三相交流接触器作为控制开关,来控制电路的通断。将交流接触器三路触点并联,提高控制开关通过电流的能力。

 

使用 HALL 传感器测量电流大小。电流 HALL 的设置:100mV /A。利用示波器测量 HALL 电流传感器的输出信号,反映出回路中的电流变化情况。

 

▲ 测量短路电流方案

 

2. 镍氢电池

 

(1) 测量短路电流峰值

放电时间大约 1 秒钟,测量 HALL 输出电压波形大约 2.7V。根据 HALL 电流传感器的量程(100mV/A)可以换算出镍氢电池的短路放电电流大约为 27A。

 

▲ 镍氢电池短路放电电流波形

 

下面使用 DS6014 示波器获得电流电压波形,同时利用 HALL 电流传感器的电流比率,得到镍氢电池在短路下的输出电流波形。

 

▲ 使用 DS6014 示波器获得的放电电流波形

 

(2) 测量短路电流输出时间

持续短路放电,电池经过 9.5 秒钟之后,断开。内部烧断。

 

▲ 持续放电直到电池烧坏

 

检查短路电流造成电池损坏内部的情况。打开电池包装,可以看到镍氢电池内部金属连线在断路电流作用下熔断了。

 

▲ 电池中的引线被烧蚀短

 

由于镍氢电池内部没有输出断路保护,所以在外部短路情况下,如果持续时间超过 10 秒钟,内部连接就会熔断。但是如果只是瞬间断路,电池不会发生爆燃或损坏。

 

3. 锂电池

使用同样的方式测量锂电池的短路电流。在前面开始初步检查,没有发现锂电池内部有电流保护功能的电路板,所以在测试时需要格外的小心。

 

▲ 锂电池短路测试很危险,需要做好安全防护

 

▲ 锂电池、万用表、交流交出器、HALL 电流卡钳

 

测试锂电池断路电流时,可以看到电池在输出极短的脉冲电流(峰值在 40~60A)之后便截止了。直到接触器将电路断开。锂电池重新恢复输出电压。

 

从这个实验结果来看,锂电池内部应该是集成有电流保护电路。最初检查看到的引线输出的电路板,应该是在内侧(电路板的反面)有相应的电子功率器件完成电池输出电流保护功能。

 

▲ 锂电池短路放电电流波形

 

使用几个 1 欧姆的功率电阻并联,测量锂电池最大输出电流。

 

 

逐步增加电阻并联的个数,输出电流也逐步增加。在负载为 0.5 欧姆时,输出峰值电流在 9A 左右。

 

▲ 在 0.5Ω负载下的电流波形

 

下图是在负载电阻为 0.25 欧姆时,输出电流达到了 24A 左右。

 

▲ 在 0.25Ω负载下的电流波形

 

在负载电阻为 0.2 欧姆时,输出电流达到了 27A。此时,锂电池放电电流就和前面测量的镍氢电池大体相同了。

 

▲ 在 0.2Ω负载下的电流波形

 

▲ 使用六个 1 欧姆电阻作为负载进行测试

 

继续增加并联电阻,电池输出电流则不再增加。此时回路其他寄生电阻也影响了电流的进一步的增加。

 

▲ 在 0.167Ω负载下的电流波形

 

在输出电流 27A 的情况下,持续放电。在持续 10 秒钟左右,电池输出中断。但此时电池并没有损坏。断开电池之后,电池输出电压恢复。这应该是内部保护电路板在大电流下发热,引起输出保护。

 

▲ 持续放电过程

 

将锂电池进一步拆开,漏出接口电路板的内部,可以看到其中的确具有大功率电子线路。

 

▲ 打开锂电池,暴露出其中的电池保护板

 

锂电池保护板上使用两颗 MOS 管来控制两个串联的锂电池的充电过压保护以及放电短路保护。这么小的 MOS 管可以输出 27A,的确令人称奇。

 

▲ 锂电池内部的电流保护板

 

如果绕开电池保护板,进行断路实验会出现什么情况呢?

 

下面是直接将锂电池中的一节电池进行断路。可以看到,输出引线瞬间就熔断,电池也就报废了。

 

▲ 锂电池无保护状态下短路过程

 

下面锂电池在没有保护板情况下的放电电流波形,从中可以看到实际上电流的大小也是在 27A 左右,与具有电流保护板时的短路电流并没有太多的增加。只是此时电流的功率都消耗在电池的引线上,所以将电池的引线融化。

 

▲ 单颗电池无保护放电电流波形

 

 

结论:

通过测试,这两款电池的输出短路电流都在 25A 以上,对于智能车竞赛车模来说,是够用了。只是对于有四个麦克纳姆轮的 H 车模来说,这个电流相对显得比较弱一些。

 

对于这两款电池的容量本实验中并没有进行测试。