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DIY--自制钛酸锂替换铅酸蓄电池
1 54 发布于 2022-03-23 17:14:49 只看楼主 热门标准
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又是好久好久没发帖子了,今天来放个大招,志俭出品、必属精品,鲜花快点砸过来吧

耗时近一个半月,构思-设计-购物-制作-编程-完工,编程?对,没错,你没看错,用了超过半个月的时间来编程,编什么程呢?先说说电池吧。。。

本人身在黑龙江,一说到电车,对于东北人来讲下意识都会想到冬天电池就完蛋了,用两年电池就不行了,低温限制了电池的性能和寿命。
哦,对了,我要说电池来着,去年我一车友自制了磷酸铁锂电池组作为启动电瓶,当时我也只听听他说了,没往心里去,一直到年跟前,天气寒冷,车停了四天没开就没电了,因为怕冬天不好过,拆下来充电才用不到半个月,我试着断开负极,再通电,然后初始化车窗(把车窗摇下),悲剧了,电都不够把车窗摇上来的,我就不停的通电断电、通电断电,最后勉强留个缝,保证外人不能从车窗进车里。。。。。。
这时候我突然想到我那个车友自制的磷酸铁锂电池,咨询了解到锂电池充放电能力非常强,瞬间能释放高电流,即使内部容量并不多也会大电流输出,而且锂电池的内阻很小,内阻小意为着什么?意为着输出能力强,电池一般来讲随着使用时间的增加内阻会不断地增大,增大到一定程度的时候就充不进去多少电量了,所以一般我们都是通过测量电池的内阻来判断电池是否还能继续使用,也就是我们说的剩余使用寿命。锂电池还有一个优点,就是充电速度非常快,试想如果汽车启动后,短时间电池就被充满电,发电机的负荷就分变小,负荷变小发动机用在动力上的功率就会相对增大,动力增大就不用轰大油门了,是不是就能省点儿油了呢?回头再想想我们车上的铅酸电池,充电速度比较慢,很多时候电池还没充满电呢,就到地方要熄火了,如此往复时间久了电池就亏电了,这也可解释为什么跑完高速油门会变轻了,我感觉应该是长时行车把电池充满电了。

于是乎,我想做一块锂电池组试试。
经研究,目前主流的锂电池有三种 ,三元铁锂、磷酸铁锂、钛酸锂。
三元铁锂安全性是其中主差的,当然也是最便宜的,不考虑。
磷酸铁锂价格适中,安全性也是非常高的,过充过放电也不爆炸、不起火,单块电池标称电压3.2v,充电戴上电压3.65v,四块串连12.8v,最高可达14.6v正常运行,我们汽车高于14.6v的时候也是很少的。当然我的车也出现过15v-15.2v。但是...磷酸铁锂在零下10度以下的时候充放电能力急剧下降,可以说不能正常使用了,哼,我这儿冬天零下三十度都有。说到这儿,我说说铅酸电池,铅酸电池临界温度也基本在零下10度,但是铅酸电池在零下10度以下还可以使用,我说的可以使用,但是性能下降很多,而且电池一旦被冻过,内阻会增加,也就说低温会降低铅酸电池的寿命,所以东北会发现新电瓶很好用,油门很轻,可是过了一个冬天电池就不怎么好了,开车时油门变重。而锂电池被冻过也或多或少的影响寿命,但性能下降幅度很小。
南方的小伙伴就不用考虑温度结电池的影响,磷酸铁锂是比较理想的选择。
我想过保湿层做厚一些是否能过冬,但还怕夏天电池过热,毕竟电池充放电的时候会发热的,买电池也要想好了再入手,除非经过特殊手续,否则电池是不允许邮寄的,退不回去。
温度是硬伤啊,正在郁闷之时,我车友提到了钛酸锂,经过查阅资料,觉得可行。
钛酸锂电池标称电压2.4v,工作温度零下40度到零上80度,这个零下40度不是说明零下时电池性能就不衰减,而是说衰减得比较少,一些资料上提到零下40度时也能达到正常的80%充放电能力,这样一来使用钛酸锂电池就真的可行了。

这里感谢论坛车友“奇奇2025”的贴子,贴子里有对钛酸锂电池的深度分析和亲测。使用钛酸锂电池需要6块电池串连,标称电压2.4v,6串就是14.4v,按车子行驶时最高能到15v计算平均每块电池在车子行驶时最高2.5v,按我观察车子最低电压时12.5v,每块电池近2.1v,按“奇奇2025”的说法,电池工作在1.5v-2.4v是电池最好的工作电压区间,电池电压维持在这个区间得到了最好充放电性能,而车子发电机输出达到15v的时候,每块电池2.5v,也没有超出电池允许的最大充电电压。
说到这里再说说两个东西,锂电池保护板和均衡板。锂电池组是需要用到保护板或均衡板的,均衡板是帮助均衡电池用的,意思就是让电池组的每块电池电压相等,统一电压,均衡板应该有两种 ,一种是消耗型,消耗电压高的电池的电能来达到与电池电压低的电压一至,这种有个缺点,就是当电池组中某一块电池有问题导致电压充不上来,就会影响其它电池的电压,从尔降低整个电池组的电压;另一种是能量转移型,把电压高的电池中的电能传递到电压低的电池中,可以理解为用电压高的电池给电压低的电池充电;保护板带有均衡功能,同时能调节充放电压,防止过充和过放电,如果使用磷酸铁锂可能需要考虑用保护板,当然我的另一个用磷酸铁锂的车友没有使用,原因嘛...车子达到15v的时候非常少,时间也不长,大多时候还是能让电池在3.65v以内的,毕竟保护板相比均衡板要贵不少。不管如果设计,保护板和均衡板必需得用一个!!

综上所述,鉴于耐低温考虑,我只能选择钛酸锂电池,而且按上面提到的用6串钛酸锂能让电池在最好的工作区间工作,发挥最大的性能。
还有重的一点上面没有说,就是电池的循环充电次数,好一点的磷酸铁锂电池能达到3500次以上(这里强调一下,并不是用到3500次电池就坏了,而是循环充电3500次以上电池容量会降到80%以下),而钛酸锂电池能达到20000-30000以上。相差悬殊啊,我感觉钛酸里能用一辈子
哦,这里又提到了容量,哎~需要考虑得真多!
我的原车铅酸电池是60Ah的容量。按照“奇奇2025”的测试结论,锂电池容量基本能与一倍的铅酸电池容媲美,也就说换成锂电池我用单块30Ah容量的电池就足够了(电池串联时容量不变,电池并联增加容量),而容量大小也只能体现在停车熄火时使用电的时间长短,我认为在容量足够的情况下选择容量小的更好一些,容量小的充电时间也短,车子启动后电池的充电时间越短,性能上升得越快。
磷酸铁锂有钛酸锂相比,电能的密度大,同样体积磷酸铁锂相对钛酸锂容量大一些,下面是我电池的尺寸,为了保证电池盒能装下,我选择了20Ah容量的钛酸锂电池,长宽高115x22x105mm,同时让卖家焊上了螺丝柱,螺丝柱大概高10mm(螺丝柱是铝的)。

上侧是外部尺寸,下侧那组数据是盒内部尺寸

总结一下:
1、耐低温决定了我必需要用钛酸锂电池;
2、钛酸锂电池安全性最高;
3、钛酸锂电池充放电能力也是最强的,堪比石墨烯;
4、循环充放电次数非常多,2万次甚至3万次以上;
5、6串钛酸锂电池的电压14.4v用在汽车上正好工作在电池性能最好的电压区间;
6、不需要装昂贵的保护板,安装一块均衡板足矣;
7、锂电池重量经,虽然我没称重,但肯定比铅酸电池轻一半不止。

至于用到的材料嘛,哎呀,太多了,我列一列吧,可能不全:
1、6块20Ah东芝钛酸锂电池,尺寸长宽高115x22x105mm;
2、能量转移型均衡板;
3、电池盒,型号L2-400;
4、T2扁方紫铜镀锡排2x20mm(2mm厚、20mm宽);
5、B1级橡塑保湿棉(带背胶);
6、强力玻璃纤维胶带;
7、硅橡胶;
8、纯铜镀锡电瓶接头;
9、冷压紫铜鼻子6mm、8mm、10mm;
10、搭铁开关;
11、35平方RV细丝软线,红黑各一米;
12,电子元件若干。。。

下面一些订单截图

哎,铜鼻子忘记买8mm的了,电池盒极柱内部用8mm螺丝,最后用了个6mm的扩到8mm用,另一个用10mm的了。









其实整体的制作过程不算复杂,最主要的就是设计布局、选材料,关键是需要特殊的工具,好比压线鼻子的液压钳,切铜板的钢锯,合适的钻头及手电钻,小撮刀,卡尺,小台钳,电铬铁......
我做得就相对复杂一点儿,为想随时观察电池内部及外部温度,我设计了一个温度和电压采集的模块,模块设计了8个温度采集点、7电压采集点,分别对六块电池的温度、电压进行采集,同采集电池盒内外温度及电池组的总电压。

车上保险上写着35平方,我还傻得呵去用卡尺量呢

东芝20Ah钛酸锂电池,拿在手上显示很小巧。电池本身不带螺丝柱的,自己没有激光焊机,让卖家焊好邮过来的,电池电极没有一定的把握和手法可不能用电铬铁自己焊哦。除了让卖家焊螺丝柱,或者可以焊个镍片,转镍片后就可以在镍片上用电铬铁焊了,但是焊接也要注意手法和温度控制。

电池的螺丝柱比我想像的小,才4mm

螺丝柱是铝的,所铜板要用镀锡或者镀镍,尽量不要用铜和铝直接接触

能量转移型的均衡板,全是固态电容,虽然有点儿小贵,但用料还是挻扎实的

各个元件也达到了军工级标准

板子也挻厚的

为了更好的安装均衡板和自制的温度电压采集模块,我在电池盒侧面开窗,并在内部做了两个夹层分别放置均衡板和采集模块。

电池盒侧面开窗,内部粘好保温棉

做了一个二层格

粘好保温棉

开窗位用亚克力板做了个门,并粘好保温棉

夹层放入盒中

注意相应螺丝的位置我都镶嵌了铜螺母,看前面的订单里有这东西。

电池和电池之间要做好绝缘,防止漏电。用那种电木,大概可能是1mm的绝缘板。我懒得单独下单买那东西,用了卖电池送的绝缘棉,我感觉就是薄的保温棉

电池夹好绝缘后,用玻璃纤维胶带包好,使之形成一个整体注意正负极是交错放置的

将包好的电池组放入电池盒里

切桐板,不要用角磨机,用钢锯就好,用角磨机不好掌握,我用角磨机切了几个,还没有用钢锯来得快呢,还切不直。
电钻打孔,用小锉刀将孔边缘磨平,达到与电极接触面平整

由于电池盒的电极是钢制的,所电平卡子也需要换成铜的,索性外加一个搭铁开关,断电平的时候也方便,尤其是长时间停车断电平用,也不会有电火花了。
下面展示一下搭铁开关吧,是在电池组制作完成之前换的,所以照片中的电瓶还是铅酸电池。



冷压铜鼻子就得需要用液压压线钳了,

压好后烧上热缩管。
压线示例,后面就不做展示了。

铜板尺寸。
引出各电池的正极及总负极线。
彩色的为均衡板的线,我外加了端子并用电铬铁点上锡 。
红色线是我模块商量电压使用

均衡板接线图

上面绿色的插座,电池各极柱均引出,方便用万用表测量每块电池的电压。正极引出两个端子,通过右侧开关,经过保险,负极引出一个端子。
引出正负端子,为可能外接设备供电使用,插座额定10A,使用10A保险管。
右侧插座为模块电源引出5v正负及通信线,模块分主从机,主机设在驾驶室,从机在电池盒内,模块电源在从机板子上

在每块电池间插入温度传感器。

螺丝及电线用硅橡胶固定。防止螺丝的倒转松动。
注意千万别使用螺丝胶,前车之鉴啊,我用了螺丝胶,拆螺丝的时候直接能把螺丝柱拧断,最后没办法,自己搞不了了,重新买了块电池
这两个铜鼻子应该用8mm的,黑色的这根照片上是6mm,最后拆下来扩孔了。红色那根用的是10mm的,当时下单时疏忽了,买了太多东西了,落下了。

引出的各个插头。注意看电池左上角的白色的那坨,引出一个温度传感器,测量盒外温度

上层加盖保温棉

买电池盒,卖家是送胶水的,可以把电池盒盖子粘上的,但由于目前到明年春天属于测试阶段,所以用玻璃纤维胶带垫着一条塑料布緾紧,以防随时需要开盖。如果真用胶水粘上了,想拆的话只能破壳了。我这盒子上扣了这么多孔,大多时间都用在扣洞上了,我可不想换个盒子再扣一遍了

插上均衡板。
对了,买电池的时候需要提醒卖家挑内阻和电压一致的电池,所谓的一致性要好,这样电池组的寿命也会很长,而且不用单独对电池充电了,直接组装好上车就行了

均衡板背面指示灯亮起

测量电池组电压及内阻。哎,后买的那块电池内阻偏大一点儿,导致整体内阻大了,之前的六块不到4豪欧,没办法,谁叫我把螺丝柱拧断了呢
上车前最好多次测量内阻和电压,包括每块电池的内阻和电压,确保没什么问题

接好自制的温度电压采集模块的从机,对,就是这货,写程序用了大半个月


模块塞进电池盒里,上层模块,下层均衡板


盖上侧盖

电池装车,插好早以准备好的通信线和插头,这根通信线是引到驾驶室里,从防冻液后面有个皮碗穿进驾驶室的


这张照片为了照那个总的搭铁点,换搭铁开关应该需要知道它的位置,看到了吗?在电脑往下一点儿有个亮晶晶的铜鼻子

到车里插上主机模块,开机再次测试






恢复电池外壳

模块选好位置固定,并走好通信线


开了几天,真的真的是很爽,早上启车开6公里左右,等红灯怠速时就已经能达到0.8L/h,我每天上班单程12公里,跑完12公里时,怠速瞬时油耗已经能稳在0.7L/h,最低见过0.5L/h,不过0.5真是太少见了,稳在0.7L/h已经相当不错。油耗稳应该说明电池充满电了,或者说充放电达到了平衡。油门变得非常轻盈,驾驶感提升很多,不再有那种拖拽感、无力感,至于油耗,理论上应该是会少一些的。天空漂来五个字:真是非常爽!

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