锂电池知识:锂电池厂家带您走进锂电世界!

来源:锂电池厂家   2019-08-21  阅读数:

  锂电池的应用越来越广泛,消费类的如手机,笔记本等,新能源的产品如电动汽车、储能、后备电源等。

  本文作者主要是从事电池管理系统相关工作,对材料和电化学等知道甚少,主要是针对电池特性和应用等一些认识和了解,从市场和应用的角度对锂电池电气特性和应用根据自己的理解整理了一下相关的基础知识,希望对锂电池同行的技术、业务和采购等入门有一些帮助。

具体分为14个部分: 

  一、锂电池的构成

  二、锂电池的优缺点

  三、锂电池的分类

  四、常用术语解释

  五、锂电池命名规则

  六、锂电池工艺

  七、锂电池成组和串并联

  八、各种动力电池对比

  九、锂电池模型

  十、锂电池电气特性与关键参数

  十一、锂电池保护和管理系统

  十二、锂电池应用领域

  十三、锂电池相关标准

  十四、主要锂电池厂家

一、锂电池的构成

  锂电池主要由两大块构成,电芯和保护板PCM(动力电池一般称为电池管理系统BMS),电芯相当于锂电池的心脏,管理系统相当于锂电池的大脑。

  电芯主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和外壳构成,而保护板主要由保护芯片(或管理芯片)、MOS管、电阻、电容和PCB板等构成。

锂电池的产业链结构如下图:

锂电池的产业链结构图

电芯的构成如下面两图所示:

电芯的构成

电芯的构成

锂电池的PACK的构成如下图所示:

锂电池的PACK的构成

二、锂电池优缺点

  锂电池的优点很多,电压平台高,能量密度大(重量轻、体积小),使用寿命长,环保。

  锂电池的缺点就是,价格相对高,温度范围相对窄,有一定的安全隐患(需加保护系统)。

对比参数 各类电池 铅酸电池

镍镉电池

(Ni-Cd)

镍氢电池

(Ni-MH)

锂电池
标称电压(V) 2 1.2 1.2 3.2/3.6/3.7
重量能量密度(Wh/kg)

25~30

40~45 60~65 120~200

体积能量密度(Wh/L)

65~80 150~180 300~350 350~400
最佳工作温度(℃) -40~70 -20~60 -20~45 0~45
安全性 安全 安全 安全 有一些隐患
环保

铅污染

镉污染 环保 环保
循环寿命(次) 200~300 500 1000 500~1500
电池成本(RMB/Wh) 0.6~1.0 2.0~2.6 2.5~3.8 2.0~3.5
充电器成本

(稳压源)

一般

(恒流源)

一般

(恒流源)

(恒流恒压)

三、锂电池分类

  锂电池可以分成两个大类:一次性不可充电电池和二次充电电池(又称为蓄电池)。

  不可充电电池如锂二氧化锰电池、锂-亚硫酰胺电池。

二次充电电池又可以分为下面根据不同的情况分类。

  1.按外型分:方形锂电池(如普通手机电池)和圆柱形锂电池(如电动工具的18650);

  2.按外包材料分:铝壳锂电池,钢壳锂电池,软包电池;

  3.按正极材料分:钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、三元锂(LiNixCoyMnzO2)、磷酸铁锂(LiFePO4);

  4.按电解液状态分:锂离子电池(LIB)和聚合物电池(PLB);

  5.按用途分:普通电池和动力电池。

  6.按性能特性分:高容量电池、高倍率电池、高温电池、低温电池等。

锂电池分类

四、常用术语解释

1. 容量(Capacity)

  指一定的放电条件下可以从电池锂获得的电量。

  我们在高中学物理是知道,电量的公式为Q=I*t,单位为库伦,电池的容量单位规定为Ah(安时)或mAh(毫安时)。意思是1AH的电池在充满电的情况下用1A的电流放电可以放1个小时。

  以前的NOKIA的老手机的电池(像BL-5C)一般是500mAh,现在的智能手机电池800~1900mAh,电动自行车一般都是10~20Ah,电动汽车一般都是20~200Ah等。

2. 充放电倍率(Charge-Rate/Discharge-Rate)

  表示以多大的电流充电、放电,一般以电池的标称容量的倍数为计算,一般称为几C。

  像容量1500mAh的电池,规定1C=1500mAh,如果以2C放电也就是以3000mA的电流放电,0.1C充放电就是以150mA的电流充放电。

3. 电压(OCV: Open Circuit Voltage)

  电池的电压一般指锂电池的标称电压(也叫额定电压)。普通锂电池的标称电压一般为3.7V,我们也称其电压平台为3.7V。我们说的电压一般指的是电池的开路电压。

  当电池20~80%的容量时,电压集中在3.7V左右(3.6~3.9V左右),容量太高或太低,电压变化较大。

4. 能量(Energy)/功率(Power)

  电池以一定的标准放电,电池所能放出的能量(E),单位为Wh(瓦时)或KWh(千瓦时),另外1KWh=1度电。

  物理书上有基本概念,E=U*I*t,也等于电池电压乘以电池的容量。

  而功率的公式为,P=U*I=E/t,表示单位时间能够释放的能量。单位为W(瓦)或KW(千瓦)。

  像容量为1500mAh的电池,标称的电压一般为3.7V,故对应的能量为5.55Wh。

5. 内阻(Resistance)

  由于充放电时不能等效为一个理想的电源,有一定的内阻。内阻是要消耗能量的,当然内阻越小越好。

  电池内阻单位用毫欧(mΩ)。

  一般电池的内阻由欧姆内阻和极化内阻组成,内阻的大小受电池的材料、制造工艺,还有电池的结构的影响。

6. 循环寿命(Cycle Life)

  电池充电和放电一次就称为一个循环,循环使用寿命是衡量电池寿命性能的一个重要指标。

  IEC标准规定手机锂电池,0.2C放电至3.0V,1C充电至4.2 V,反复循环 500次后电池容量应保持为初始容量的60%以上。也就是说锂电池的循环寿命为500次。

  国标规定,循环寿命300次后,容量应保持初始容量的70%。

  电池容量低于初始容量的60%一般要考虑报废处理了。

7. 放电深度(DOD: Depth of Discharger)

  定义为电池放出的容量占额定容量的百分比。

  锂电池一般放电深度越深,电池寿命越短。

8. 终止电压(Cut-Off Voltage)

  终止电压分为充电终止电压和放电终止电压,也就是说电池不能继续充电或放电的电压,在终止电压下再继续充电或放电对电池的寿命影响很大。

  锂电池的充电终止电压一般为4.2V,放电终止电压为3.0V。

  锂电池超过终止电压的深充或深放是严格禁止的。

9. 自放电率(Self-Discharge)

  指电池在存放期间容量的下降率,用单位时间内容量下降的百分比表示。

  一般的锂电池的自放电率为2%~9%/月。

10. SOC(State of Charge)

  指电池的剩余电量与可以放出总电量的百分比,0~100%。反映电池剩余电量情况。

五、电池命名规则

  不同的锂电池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。 

18650圆柱形电池

六、锂电池工艺

  不同的锂电池、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。

锂电池工艺

七、锂电池的成组和串并联

  应用在不同的领域中,对锂电池的要求不一样,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。

电池包电压 锰酸锂/三元锂 磷酸铁锂
12V 4S 4S
18V 5S 6S
24V 7S 8S
36V 10S 12S
48V 13S 15S/16S
60V 16S 19S
64V 18S 20S
72V 20S 23S

锂电池的成组和串并联

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 钴酸锂 三元锂 锰酸锂 磷酸铁锂
1 振实密度(g/cm3) 2.8~3.0 2.0~2.3 2.2~2.4 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 电压平台(V) 3.7 3.6 3.6 3.2
5 循环性能 >300 >800 >500 >2000
6 过度金属 贫乏 贫乏 丰富 非常丰富
7 原料成本 很高 低廉 低廉
8 环保 含钴 含镍、钴 无毒 无毒
9 安全性能 较好 良好 优秀
10 适用领域 小电池 小电池、小型动力电池 动力电池 动力电池、超大容量电源

九、锂电池模型

  锂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。

  锂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。

  锂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。

  锂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。 

锂电池循环次数和内阻的关系

十、锂电池电气特性和关键参数

1.锂电池的充放电曲线

  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。

锂电池的充电曲线

锂电池的放电曲线

  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。

锂电池不同温度放电曲线

2.锂电池的关键参数

  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。

对比项 锰酸锂/三元锂 磷酸铁锂
电压平台 3.7V/3.6V 3.2V
充电终止电压 4.2V 3.6V
放电终止电压 3.0V 2.0V
工作温度范围 -20~60℃ -10~65℃
最大放电倍率 3~10C 3~10C

十一、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。

  锂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。

  锂电池保护板(PCM: Power Circuit Module)主要应用在像手机、笔记本等消费类产品。

  锂电池管理系统(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。

  锂电池保护(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。

  锂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,这一块已经相对比较成熟,国内有很多成熟的保护IC芯片已经出来。

锂电池保护系统PCM

  锂电池管理系统(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。

锂电池管理系统BMS

BMS功能介绍及分析:

  1.锂电池保护,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 被动均衡 主动均衡
均衡方式 电阻消耗 电感等转移
均衡效率
方案成熟度 成熟 较成熟
系统复杂度
系统成本

  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。

十二、锂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。

锂电池充电系统

  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。

锂电池充电曲线

  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技术和电池技术,相关的厂商也是以前做电源的相关厂商。

十三、锂电池应用领域

  锂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 消费类 数码类 医疗保健类 安防类 电热类 其他
电动汽车 手机 数码相机

掌上心电图机

消防灯 保暖衣 电子菜谱
电动自行车 笔记本 数码摄像机 多参数监护仪 安防摄像 发热服 电动剃须刀
电动摩托车 平板电脑 蓝牙耳机

便携超声诊断仪

POS机 暖手宝 无线充电

储能系统

上网本 无线鼠标

便携血氧仪

无线呼叫 发热鞋垫 军工设备
后备电源UPS MID 蓝牙键盘 便携胎音监护仪 无线对讲门铃 保暖手套 油井探测
电动工具 GPS 车载免提 激光治疗仪 门禁系统   探照灯
航模 电子书 LED手电筒 无线电子医疗 指纹识别   LED显示屏
    无线音箱 内窥镜 RFID监控   热敏打印
    警示灯 眼部护理 ZigBee防盗   考勤机
    扩音器 足底按摩      
    移动备用电源 理疗产品      

十四、锂电池相关标准

  锂电池方面欧洲、美国、日本、中国有不同的标准,一些相关标准整理如下表。

国际/国内

代号 描述
UL UL1642 电信安全标准
UL UL2054 商用或家用电池标准
UL UL2054 便携式一次、二次电池标准
UL UL60950 IT产品安全标准
IEEE IEEE1725 北美移动电话用充电电池标准
IEEE IEEE1625 移动计算机多电芯可充电电池标准
IEC/EN

IEC/EN60086-1~5

原电池标准
IEC/EN IEC/EN61960 锂电池标准
IEC/EN IEC/EN62133 二次电池
IEC/EN IEC/EN61809 便携式二次电池
IEC/EN IEC/EN61959 便携式二次电池
IEC/EN IEC/EN61429 二次电池国际标识
IEC/EN IEC/EN62281 锂电池
JIS JIS C-8711 二次锂电芯
JIS SBAG1101-1997 锂离子可充电电池安全评价标准
GB GB18287 手机用二次锂电池
GB QB/T2502-2000 锂离子蓄电池总规范
GB GB8897.4-2008 锂电池安全规范
GB GB/T10077-2008 锂电池分类、型号命名及基本特性规范
GB GB1952.11-2005 锂电池组危险货物检验安全规范
GB MH/T1020-2009 锂电池航空运输规范
GB YD1268-2003 手机锂电池及充电器安全规范
GB GJB2374-1995 锂电池安全规范
GB QC/T743-2006 电动汽车用锂离子蓄电池

十五、主要锂电池厂家

  考虑到锂电池厂家不同人的看法有所不同,加之作者的认识有限,写上去的只是自己知道或听说的,在此省略不贴出来了,以免引起不必要的麻烦。

本文关键词:锂电池,锂电池厂家