五)锂电池命名规则
不同的厂家有不同的命名规则,但通用电池大家都遵循统一的标准,根据电池的名称可以知道电池的尺寸等。
IEC61960规定,圆柱形和方形电池的规则如下:
1. 圆柱形电池,3个字母后跟5个数字,
3个字母,第一个字母表示负极材料,I表示有内置的锂离子,L表示锂金属或锂合金电极。第二个字母表示正极材料,C表示钴,N表示镍,M表示锰,V表示钒。第三个字母为为R表示圆柱形。
5个数字,前2个数字表示直径,后3个数字表示高度,单位都为mm。
2. 方形电池,3个字母后更6个数字,
3个字母,前两个字母的意义和圆柱形一样,后一个字母为P表示为方形。
6个数字,前2个数字表示厚度,中间2个表示宽度,后面2个表示高度(长度),单位也为mm。
如:ICR 18650就是直径为18mm,高度为65mm的通用的18650圆柱形电池;
ICP 053353就是厚度为5mm,宽度为33mm,高度(长度)为53mm的方形电池。
电池参数
(六)锂电池工艺
不同的电池、不通的厂家工艺流程有一定的差异,详细的工艺流程会很复杂,下面列出基本的工艺流程,电芯制作的工艺流程和PACK制作的工艺流程。
电芯生产工艺流程主要为极片制造、电芯制作、电池装配、注液、化成、分选等工序。
从配料到卷绕,是正极、负极分不同的车间同时做的,正负极做好后再一起做后面的工序。中间会插入不同的品质检测QA环节。
(七)电池的成组和串并联
应用在不同的领域中,对电池的要求不一样,系统对电压,容量,内阻等都有一些特殊的要求。往往单节电池不能满足要求,需要电池串并联后才能给外供电。
电池串并联后的性能由最差那一节电池的性能决定,也就是我们常说的“木桶原理”,因此电池成组最重要的一点就是电池性能参数的一致性。
像笔记本,电动自行车,电动汽车,储能系统等都需要考虑电池的串并联组成电池包。
笔记本电池电压一般是11.1V或14.8V,主要采用18650电池,所以一般2串3并或2串4并。
Apple iPAD就是3块聚合物电池并联,容量25Wh左右。
电动自行车和电动摩托车系统一般是24V、36V、48V、60V、72V系统,具体成组情况见下表(S代表串联)。
纯电动汽车和混合动力(EV/PHEV)电压更高,250~500V左右,最大会串联到150节以上。
另外电池成组串并联是要考虑很多东西,电池的电压平台的一致性,电池的容量的一致性,电池的内阻的一致性等。电池的串并联后其参数的一致性对电池的性能和寿命有很大的影响。
(八)各种动力电池对比
动力电池主要是更具其应用来考虑的,主要应用在电动电动汽车、电动自行车、电动工具等。
动力电池区别于普通电池又其一定的特殊性:
1. 电池的串并联
2. 电池的容量较大
3. 电池的放电倍率较大(混合动力和电动工具)
4. 电池的安全性要求较高
5. 电池的工作温度范围较宽
6. 电池的使用寿命长,一般要求5~10年
由于动力电池的特殊性,其工艺和材料的也存在一定的差异,根据正极材料的情况主要分为锰酸锂(LiMn2O4)、三元锂(LiNixCoyMnzO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)等,其电压平台、能量密度、价格、安全性等都有一定的差异,具体见下表的对比:
(其中钴酸锂由于其稳定性较差,价格较高等原因很少用做动力电池,放在下表一并列出对比)
序号
|
参数
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钴酸锂
|
三元锂
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锰酸锂
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磷酸铁锂
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1
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振实密度(g/cm3)
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2.8~3.0
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2.0~2.3
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2.2~2.4
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1.0~1.4
|
2
|
比表面积(m2/g)
|
0.4~0.6
|
0.2~0.4
|
0.4~0.8
|
12~20
|
3
|
容量密度(Ah/kg)
|
135~140
|
155~165
|
100~115
|
130~140
|
4
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电压平台(V)
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3.7
|
3.6
|
3.6
|
3.2
|
5
|
循环性能
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>300
|
>800
|
>500
|
>2000
|
6
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过度金属
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贫乏
|
贫乏
|
丰富
|
非常丰富
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7
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原料成本
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很高
|
高
|
低廉
|
低廉
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8
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环保
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含钴
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含镍、钴
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无毒
|
无毒
|
9
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安全性能
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差
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较好
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良好
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优秀
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10
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适用领域
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小电池
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小电池、小型动力电池
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动力电池
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动力电池、超大容量电源
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(九)锂电池模型
电池内阻在电气特性上,不完全等效为一个电阻,具体可以参考国外的PNGV等效电路模型。如下图所示。
电池的内阻主要由欧姆内阻R0还有极化内阻R1构成,其中C1为极化电容。
电池的内阻测量业内有2种主流的测试方式,直流放电法和交流注入法,不能用普通的测电阻的方法测量得到,一般用专门的内阻测量仪测试。
电池的内阻是反映电池的性能和寿命的一个重要参数。快到电池的循环寿命时,电池的内阻会急剧变大。如下图循环次数和内阻的关系所示。
(十)锂电池电气特性和关键参数
· 电池的充放电曲线
锂电池的充放电曲线指的是电池的容量和开路电压的关系曲线,根据电池的放电曲线,可以粗略的估计电池的电量,如下图所示。
锂电池的充放电曲线不仅与充电放电电流的大小有关还与温度有关。如下图所示。
· 电池的关键参数
锂电池由于其本身特性决定不能过充、不能过放、不能过流、不能过温,因此考虑安全性和电池寿命,电池要做好相关保护。有几个参数是经常碰到的,一并列出来。电压情况不同厂商差异不大,工作温度和放电倍率不同的电池或不同的厂家会有一些差异。
锰酸锂/三元锂
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|
磷酸铁锂
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电压平台
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3.7V/3.6V
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电压平台
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3.2V
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充电终止电压
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4.2V
|
|
充电终止电压
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3.6V
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放电终止电压
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3.0V
|
|
放电终止电压
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2.0V
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工作温度范围
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-20~60℃
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工作温度范围
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-10~65℃
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最大放电倍率
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3~10C
|
|
最大放电倍率
|
3~10C
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(十)锂电池保护和管理要求和系统
由于锂电池本身的特性决定一定要加电池保护板(PCM)或电池管理系统(BMS),没有保护板或管理系统的电池是禁止使用的,会存在巨大的安全隐患。对电池系统来说安全永远是第一位的。电池如果没有很好的保护或管理,可能存在寿命变短、损坏或爆炸的风险。
电池保护板(PCM : Power Circuit Module)主要应用在像手机、笔记本等消费类产品。
电池管理系统(BMS : Battery Management System)主要应用在动力电池,像电动汽车、电动自行车、储能等大型系统。
电池保护(PCM)主要功能,电池过充保护(OVP)、过放保护(UVP)、过温保护(OTP)、过流保护(OCP)等。一旦出现异常情况,系统自动切断,确保系统安全。
电池保护系统技术已非常成熟,相关的板厂很多,主要集中在华南地区,并且有专门的IC厂商提供专门的锂电池保护芯片,这一块在芯片已经相对比较成熟,国内已有很多成熟的产品。
锂电池保护系统PCM
电池管理系统(BMS)的主要功能除了保护系统的相关基本保护功能外,还有电池电压、温度及电流测量、能量均衡、电量(SOC)计算及显示、异常报警、充放电管理、通信等,有些BMS系统还集成热量管理、电池加热、电池健康状况(SOH)分析、绝缘电阻测量等。
BMS功能介绍及分析:
1. 电池保护,和PCM差不多,过充、过放、过温、过流,还有短路保护。像普通的锂锰电池和三元锂电池,一旦检测到任何一节电池电压超过4.2V或任何一节电池电压低于3.0V系统就会自动切断充电或放电回路。如果电池温度超过电池的工作温度或电流大于电池的放电电流,系统会自动切断电流通路,保障电池和系统安全。
2. 能量均衡,整个电池包,由于很多节电池串联,工作一定时间后,由于其电芯本身的不一致性、工作温度的不一致性等原因的影响,最后会表现出很大的差异,对电池的寿命和系统的使用有巨大的影响,能量均衡就是弥补电芯个体之间的差异去做一些主动或被动的充电或放电的管理,确保电池的一致性,延长电池的寿命。
业内一般有被动均衡和主动均衡两类方式,其中被动均衡主要是把电量多的电量通过电阻消耗达到均衡,主动均衡主要是把电量多的电池的电量通过电容、电感或变压器转移到电量少的电池达到均衡。被动和主动均衡对比见下表。
由于主动均衡系统相对复杂,成本相对较高,主流依然还是被动均衡。
对比项
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被动均衡
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主动均衡
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均衡方式
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电阻消耗
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电感等转移
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均衡效率
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低
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高
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方案成熟度
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成熟
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较成熟
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系统复杂度
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低
|
高
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系统成本
|
低
|
高
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3.SOC计算,电池的电量计算是BMS很重要的一块,很多系统都需要比较精确知道剩余电量的情况。由于技术的发展,SOC的计算积累的很多的方法,精度要求不高的可以根据电池电压判断剩余电量,精确的方法主要的是电流积分法(又叫Ah法),Q = ∫i dt ,还有内阻法、神经网络法、卡尔曼滤波法等。业内主流依然是电流计分法。
4.通信,不同的系统对通信接口的要求不一样,主流的通信接口有SPI、I2C、CAN、RS485等。其中汽车和储能系统主要是CAN和RS485。
BMS系统由于竞争还不充分,加之其系统的复杂性,系统厂商相对较少,相关的芯片厂商也主要是欧美几家大厂,国内有少数几家大公司在研发。未来的机会很多,希望在BMS上对技术、产品和厂家有一些详细了解的可以发email沟通。
· 电池充电要求和系统
锂电池主流的充电方式是恒流恒压(CC/CV : Constant Current – Constant Voltage),先恒流充电,到一定的电位后再恒压充电,好的充电器还可以根据电池的电压状态涓流充,有些系统在后面还增加了脉冲充电方式,另外根据时间设置充电结束。
一般的充电器都集成有限流、限压,过压保护,过流保护,过温保护,防反接等功能。
具体充电系统如下图所示。
另外充电器充电一般和PCM或BMS配合在电池恒压充阶段一起做能量均衡。
像普通的钴酸锂电池,检测到电池电压低于3.0V,充电器启动涓流充电(0.1C左右),以免损坏电池,当电池电压充到3.0V后改为恒流充电(1C左右,电流大小依据系统来定),检测到电池电压到4.1V转换为恒压充电,当电池电流降到0.1C左右,充电结束,关闭充电系统和充电回路。先涓流再恒流最后恒压,充电曲线如下图所示。
充电器根据功率大小的不同,采用不同的控制技术,小功率的主要是线性电源的方案,大功率主要是开关电源的方案。充电器技术已经相当成熟,充电器性能和效率都基本能够达到一个比较好的水平,相关的厂商很多,充电器主要涉及的技术还主要是电源
(十二)锂电池应用领域
电池主要应用在消费类产品、数码类产品、动力产品、医疗和安防等。
动力类
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消费类
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数码类
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医疗保健类
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安防类
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电热类
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其他
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电动汽车
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手机
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数码相机
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掌上心电图机
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消防灯
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保暖衣
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电子菜谱
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电动自行车
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笔记本
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数码摄像机
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多参数监护仪
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安防摄像
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发热服
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电动剃须刀
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电动摩托车
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平板电脑
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蓝牙耳机
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便携超声诊断仪
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POS机
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暖手宝
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无线充电
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储能系统
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上网本
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无线鼠标
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便携血氧仪
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无线呼叫
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发热鞋垫
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军用设备
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后备电源UPS
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MID
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蓝牙键盘
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便携胎音监护仪
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无线对讲门铃
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保暖手套
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油井探测
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电动工具
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GPS
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车载免提
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激光治疗仪
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门禁系统
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探照灯
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航模
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电子书
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LED手电筒
|
无线电子医疗
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指纹识别
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LED显示屏
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无线音箱
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内窥镜
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RFID监控
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热敏打印
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警示灯
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眼部护理
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ZigBee防盗
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考勤机
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扩音器
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足底按摩
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移动备用电源
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理疗产品
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