鋰電池基礎(chǔ)知識(shí)

（一）鋰電池的構(gòu)成

鋰電池主要由兩大塊構(gòu)成，電芯和保護(hù)板PCM（動(dòng)力電池一般稱為電池管理系統(tǒng)BMS），電芯相當(dāng)于鋰電池的心臟，管理系統(tǒng)相當(dāng)于鋰電池的大腦。

電芯主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜和外殼構(gòu)成，而保護(hù)板主要由保護(hù)芯片（或管理芯片）、MOS管、電阻、電容和PCB板等構(gòu)成。鋰電池的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)如下圖：

電芯的構(gòu)成如下面兩圖所示:

鋰電池的PACK的構(gòu)成如下圖所示:

（二）鋰電池優(yōu)缺點(diǎn)鋰電池的優(yōu)點(diǎn)很多，電壓平臺(tái)高，能量密度大（重量輕、體積?。?，使用壽命長(zhǎng)，環(huán)保。鋰電池的缺點(diǎn)就是，價(jià)格相對(duì)高，溫度范圍相對(duì)窄，有一定的安全隱患（需加保護(hù)系統(tǒng)）。對(duì)比參數(shù)

各類電池鉛酸電池鎳鎘電池

（Ni-Cd）鎳氫電池

（Ni-MH）鋰電池標(biāo)稱電壓(V)21.21.23.2/3.6/3.7重量能量密度(Wh/kg)25~3040~4560~65120~200體積能量密度（Wh/L）65~80150~180300~350350~400最佳工作溫度(℃)-40~70-20~60-20~450~45安全性安全安全安全有一些隱患環(huán)保鉛污染鎘污染環(huán)保環(huán)保循環(huán)壽命（次）200~3005001000500~1500電池成本(RMB/Wh)0.6~1.02.0~2.62.5~3.82.0~3.5充電器成本低

(穩(wěn)壓源)一般

（恒流源）一般

（恒流源）高

(恒流恒壓)（三）鋰電池分類鋰電池可以分成兩個(gè)大類：一次性不可充電電池和二次充電電池（又稱為蓄電池）。

不可充電電池如鋰二氧化錳電池、鋰-亞硫酰胺電池。

二次充電電池又可以分為下面根據(jù)不同的情況分類。1．按外型分：方形鋰電池（如普通手機(jī)電池）和圓柱形鋰電池（如電動(dòng)工具的18650）；2．按外包材料分：鋁殼鋰電池，鋼殼鋰電池，軟包電池；3．按正極材料分：鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、三元鋰（LiNixCoyMnzO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）；4．按電解液狀態(tài)分：鋰離子電池（LIB）和聚合物電池（PLB）；5．按用途分：普通電池和動(dòng)力電池。6．按性能特性分：高容量電池、高倍率電池、高溫電池、低溫電池等。

（四）常用術(shù)語(yǔ)解釋

1.

容量(Capacity)指一定的放電條件下可以從電池鋰獲得的電量。

我們?cè)诟咧袑W(xué)物理是知道，電量的公式為Q=I*t，單位為庫(kù)倫，電池的容量單位規(guī)定為Ah（安時(shí)）或mAh（毫安時(shí)）。意思是1AH的電池在充滿電的情況下用1A的電流放電可以放1個(gè)小時(shí)。

以前的NOKIA的老手機(jī)的電池（像BL-5C）一般是500mAh，現(xiàn)在的智能手機(jī)電池800~1900mAh，電動(dòng)自行車一般都是10~20Ah，電動(dòng)汽車一般都是20~200Ah等。2.

充放電倍率（Charge-Rate/Discharge-Rate）2.

方形電池，3個(gè)字母后更6個(gè)數(shù)字，

3個(gè)字母，前兩個(gè)字母的意義和圓柱形一樣，后一個(gè)字母為P表示為方形。6個(gè)數(shù)字，前2個(gè)數(shù)字表示厚度，中間2個(gè)表示寬度，后面2個(gè)表示高度（長(zhǎng)度），單位也為mm。

如：ICR18650就是直徑為18mm，高度為65mm的通用的18650圓柱形電池；ICP053353就是厚度為5mm，寬度為33mm，高度（長(zhǎng)度）為53mm的方形電池。

（六）鋰電池工藝

不同的電池、不通的廠家工藝流程有一定的差異，詳細(xì)的工藝流程會(huì)很復(fù)雜，下面列出基本的工藝流程，電芯制作的工藝流程和PACK制作的工藝流程。電芯生產(chǎn)工藝流程主要為極片制造、電芯制作、電池裝配、注液、化成、分選等工序。

從配料到卷繞，是正極、負(fù)極分不同的車間同時(shí)做的，正負(fù)極做好后再一起做后面的工序。中間會(huì)插入不同的品質(zhì)檢測(cè)QA環(huán)節(jié)。

（七）電池的成組和串并聯(lián)

應(yīng)用在不同的領(lǐng)域中，對(duì)電池的要求不一樣，系統(tǒng)對(duì)電壓，容量，內(nèi)阻等都有一些特殊的要求。往往單節(jié)電池不能滿足要求，需要電池串并聯(lián)后才能給外供電。

電池串并聯(lián)后的性能由最差那一節(jié)電池的性能決定，也就是我們常說(shuō)的“木桶原理”，因此電池成組最重要的一點(diǎn)就是電池性能參數(shù)的一致性。像筆記本，電動(dòng)自行車，電動(dòng)汽車，儲(chǔ)能系統(tǒng)等都需要考慮電池的串并聯(lián)組成電池包。

筆記本電池電壓一般是11.1V或14.8V，主要采用18650電池，所以一般2串3并或2串4并。

AppleiPAD就是3塊聚合物電池并聯(lián)，容量25Wh左右。

電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車系統(tǒng)一般是24V、36V、48V、60V、72V系統(tǒng)，具體成組情況見下表（S代表串聯(lián)）。

純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力（EV/PHEV）電壓更高，250~500V左右，最大會(huì)串聯(lián)到150節(jié)以上。

另外電池成組串并聯(lián)是要考慮很多東西，電池的電壓平臺(tái)的一致性，電池的容量的一致性，電池的內(nèi)阻的一致性等。

電池的串并聯(lián)后其參數(shù)的一致性對(duì)電池的性能和壽命有很大的影響。電池包電壓錳酸鋰/三元鋰磷酸鐵鋰12V4S4S18V5S6S24V7S8S36V10S12S48V13S15S/16S60V16S19S64V18S20S72V20S23S

（八）各種動(dòng)力電池對(duì)比

動(dòng)力電池主要是更具其應(yīng)用來(lái)考慮的，主要應(yīng)用在電動(dòng)電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)工具等。動(dòng)力電池區(qū)別于普通電池又其一定的特殊性：1.

電池的串并聯(lián)2.

電池的容量較大3.

電池的放電倍率較大（混合動(dòng)力和電動(dòng)工具）4.

電池的安全性要求較高5.

電池的工作溫度范圍較寬6.

電池的使用壽命長(zhǎng)，一般要求5~10年由于動(dòng)力電池的特殊性，其工藝和材料的也存在一定的差異，根據(jù)正極材料的情況主要分為錳酸鋰（LiMn2O4）、三元鋰（LiNixCoyMnzO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）等，其電壓平臺(tái)、能量密度、價(jià)格、安全性等都有一定的差異，具體見下表的對(duì)比：

（其中鈷酸鋰由于其穩(wěn)定性較差，價(jià)格較高等原因很少用做動(dòng)力電池，放在下表一并列出對(duì)比）序號(hào)參數(shù)鈷酸鋰三元鋰錳酸鋰磷酸鐵鋰1振實(shí)密度（g/cm3）2.8~3.02.0~2.32.2~2.41.0~1.42比表面積（m2/g）0.4~0.60.2~0.40.4~0.812~203容量密度（Ah/kg）135~140155~165100~115130~1404電壓平臺(tái)（V）3.73.63.63.25循環(huán)性能>300>800>500>20006過(guò)度金屬貧乏貧乏豐富非常豐富7原料成本很高高低廉低廉8環(huán)保含鈷含鎳、鈷無(wú)毒無(wú)毒9安全性能差較好良好優(yōu)秀10適用領(lǐng)域小電池小電池、小型動(dòng)力電池動(dòng)力電池動(dòng)力電池、超大容量電源（九）鋰電池模型電池內(nèi)阻在電氣特性上，不完全等效為一個(gè)電阻，具體可以參考國(guó)外的PNGV等效電路模型。如下圖所示。電池的內(nèi)阻主要由歐姆內(nèi)阻R0還有極化內(nèi)阻R1構(gòu)成，其中C1為極化電容。電池的內(nèi)阻測(cè)量業(yè)內(nèi)有2種主流的測(cè)試方式，直流放電法和交流注入法，不能用普通的測(cè)電阻的方法測(cè)量得到，一般用專門的內(nèi)阻測(cè)量?jī)x測(cè)試。電池的內(nèi)阻是反映電池的性能和壽命的一個(gè)重要參數(shù)。快到電池的循環(huán)壽命時(shí)，電池的內(nèi)阻會(huì)急劇變大。如下圖循環(huán)次數(shù)和內(nèi)阻的關(guān)系所示。

十）鋰電池電氣特性和關(guān)鍵參數(shù)

1．電池的充放電曲線鋰電池的充放電曲線指的是電池的容量和開路電壓的關(guān)系曲線，根據(jù)電池的放電曲線，可以粗略的估計(jì)電池的電量，如下圖所示。

鋰電池的充放電曲線不僅與充電放電電流的大小有關(guān)還與溫度有關(guān)。如下圖所示。

2．電池的關(guān)鍵參數(shù)鋰電池由于其本身特性決定不能過(guò)充、不能過(guò)放、不能過(guò)流、不能過(guò)溫，因此考慮安全性和電池壽命，電池要做好相關(guān)保護(hù)。有幾個(gè)參數(shù)是經(jīng)常碰到的，一并列出來(lái)。電壓情況不同廠商差異不大，工作溫度和放電倍率不同的電池或不同的廠家會(huì)有一些差異。

對(duì)比項(xiàng)錳酸鋰/三元鋰磷酸鐵鋰電壓平臺(tái)3.7V/3.6V3.2V充電終止電壓4.2V3.6V放電終止電壓3.0V2.0V工作溫度范圍-20~60℃-10~65℃最大放電倍率3~10C3~10C（十一）鋰電池保護(hù)和管理要求和系統(tǒng)

由于鋰電池本身的特性決定一定要加電池保護(hù)板（PCM）或電池管理系統(tǒng)（BMS），沒有保護(hù)板或管理系統(tǒng)的電池是禁止使用的，會(huì)存在巨大的安全隱患。對(duì)電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)安全永遠(yuǎn)是第一位的。

電池如果沒有很好的保護(hù)或管理，可能存在壽命變短、損壞或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。電池保護(hù)板（PCM:PowerCircuitModule）主要應(yīng)用在像手機(jī)、筆記本等消費(fèi)類產(chǎn)品。

電池管理系統(tǒng)（BMS:BatteryManagementSystem）主要應(yīng)用在動(dòng)力電池，像電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、儲(chǔ)能等大型系統(tǒng)。電池保護(hù)（PCM）主要功能，電池過(guò)充保護(hù)（OVP）、過(guò)放保護(hù)（UVP）、過(guò)溫保護(hù)（OTP）、過(guò)流保護(hù)（OCP）等。一旦出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)自動(dòng)切斷，確保系統(tǒng)安全。電池保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)已非常成熟，相關(guān)的板廠很多，主要集中在華南地區(qū)，并且有專門的IC廠商提供專門的鋰電池保護(hù)芯片，這一塊已經(jīng)相對(duì)比較成熟，國(guó)內(nèi)有很多成熟的保護(hù)IC芯片已經(jīng)出來(lái)。

電池管理系統(tǒng)（BMS）的主要功能除了保護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)基本保護(hù)功能外，還有電池電壓、溫度及電流測(cè)量、能量均衡、電量（SOC）計(jì)算及顯示、異常報(bào)警、充放電管理、通信等，有些BMS系統(tǒng)還集成熱量管理、電池加熱、電池健康狀況（SOH）分析、絕緣電阻測(cè)量等。

BMS功能介紹及分析：

1.

電池保護(hù)，和PCM差不多，過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫、過(guò)流，還有短路保護(hù)。像普通的鋰錳電池和三元鋰電池，一旦檢測(cè)到任何一節(jié)電池電壓超過(guò)4.2V或任何一節(jié)電池電壓低于3.0V系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)切斷充電或放電回路。如果電池溫度超過(guò)電池的工作溫度或電流大于電池的放電電流，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷電流通路，保障電池和系統(tǒng)安全。

2.

能量均衡，整個(gè)電池包，由于很多節(jié)電池串聯(lián)，工作一定時(shí)間后，由于其電芯本身的不一致性、工作溫度的不一致性等原因的影響，最后會(huì)表現(xiàn)出很大的差異，對(duì)電池的壽命和系統(tǒng)的使用有巨大的影響，能量均衡就是彌補(bǔ)電芯個(gè)體之間的差異去做一些主動(dòng)或被動(dòng)的充電或放電的管理，確保電池的一致性，延長(zhǎng)電池的壽命。

業(yè)內(nèi)一般有被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩類方式，其中被動(dòng)均衡主要是把電量多的電量通過(guò)電阻消耗達(dá)到均衡，主動(dòng)均衡主要是把電量多的電池的電量通過(guò)電容、電感或變壓器轉(zhuǎn)移到電量少的電池達(dá)到均衡。被動(dòng)和主動(dòng)均衡對(duì)比見下表。

由于主動(dòng)均衡系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，成本相對(duì)較高，主流依然還是被動(dòng)均衡。對(duì)比項(xiàng)被動(dòng)均衡主動(dòng)均衡均衡方式電阻消耗電感等轉(zhuǎn)移均衡效率低高方案成熟度成熟較成熟系統(tǒng)復(fù)雜度低高系統(tǒng)成本低高3.

SOC計(jì)算，電池的電量計(jì)算是BMS很重要的一塊，很多系統(tǒng)都需要比較精確知道剩余電量的情況。由于技術(shù)的發(fā)展，SOC的計(jì)算積累的很多的方法，精度要求不高的可以根據(jù)電池電壓判斷剩余電量，精確的方法主要的是電流積分法（又叫Ah法），Q=∫idt，還有內(nèi)阻法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等。業(yè)內(nèi)主流依然是電流計(jì)分法。4.

通信，不同的系統(tǒng)對(duì)通信接口的要求不一樣，主流的通信接口有SPI、I2C、CAN、RS485等。其中汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是CAN和RS485。BMS系統(tǒng)由于競(jìng)爭(zhēng)還不充分，加之其系統(tǒng)的復(fù)雜性，系統(tǒng)廠商相對(duì)較少，相關(guān)的芯片廠商也主要是歐美幾家大廠，國(guó)內(nèi)有少數(shù)幾家大公司在研發(fā)。未來(lái)的機(jī)會(huì)很多。希望在BMS上對(duì)技術(shù)、產(chǎn)品和廠家有一些詳細(xì)了解的可以發(fā)email溝通。（十二）電池充電要求和系統(tǒng)鋰電池主流的充電方式是恒流恒壓（CC/CV:ConstantCurrent–ConstantVoltage），先恒流充電，到一定的電位后再恒壓充電，好的充電器還可以根據(jù)電池的電壓狀態(tài)涓流充，有些系統(tǒng)在后面還增加了脈沖充電方式，另外根據(jù)時(shí)間設(shè)置充電結(jié)束。

一般的充電器都集成有限流、限壓，過(guò)壓保護(hù)，過(guò)流保護(hù)，過(guò)溫保護(hù)，防反接等功能。具體充電系統(tǒng)如下圖所示。另外充電器充電一般和PCM或BMS配合在電池恒壓充階段一起做能量均衡。像普通的鈷酸鋰電池，檢測(cè)到電池電壓低于3.0V，充電器啟動(dòng)涓流充電（0.1C左右），以免損壞電池，當(dāng)電池電壓充到3.0V后改為恒流充電（1C左右，電流大小依據(jù)系統(tǒng)來(lái)定），檢測(cè)到電池電壓到4.1V轉(zhuǎn)換為恒壓充電，當(dāng)電池電流降到0.1C左右，充電結(jié)束，關(guān)閉充電系統(tǒng)和充電回路。先涓流再恒流最后恒壓，充電曲線如下圖所示。充電器根據(jù)功率大小的不同，采用不同的控制技術(shù)，小功率的主要是線性電源的方案，大功率主要是開關(guān)電源的方案。充電器技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，充電器性能和效率都基本能夠達(dá)到一個(gè)比較好的水平，相關(guān)的廠商很多，充電器主要涉及的技術(shù)還主要是電源技術(shù)和電池技術(shù)，相關(guān)的廠商也是以前做電源的相關(guān)廠商。（十三）鋰電池應(yīng)用領(lǐng)域電池主要應(yīng)用在消費(fèi)類產(chǎn)品、數(shù)碼類產(chǎn)品、動(dòng)力產(chǎn)品、醫(yī)療和安防等。動(dòng)力類消費(fèi)類數(shù)碼類醫(yī)療保健類安防類電熱類其他電動(dòng)汽車手機(jī)數(shù)碼相機(jī)掌上心電圖機(jī)消防燈保暖衣電子菜譜電動(dòng)自行車筆記本數(shù)碼攝像機(jī)多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀安防攝像發(fā)熱服電動(dòng)剃須刀電動(dòng)摩托車平板電腦藍(lán)牙耳機(jī)便攜超聲診斷儀POS機(jī)暖手寶無(wú)線充電儲(chǔ)能系統(tǒng)上網(wǎng)本無(wú)線鼠標(biāo)便攜血氧儀無(wú)線呼叫發(fā)熱鞋墊軍用設(shè)備后備電源UPSMID藍(lán)牙鍵盤便攜胎音監(jiān)護(hù)儀無(wú)線對(duì)講門鈴保暖手套油井探測(cè)電動(dòng)工具GPS車載免提激光治療儀門禁系統(tǒng)探照燈航模電子書LED手電筒無(wú)線電子醫(yī)療指紋識(shí)別LED顯示屏無(wú)線音箱內(nèi)窺鏡RFID監(jiān)控?zé)崦舸蛴【緹粞鄄孔o(hù)理ZigBee防盜考勤機(jī)