BMS开发-电池简介

用户8913398

发布于 2024-04-29 07:00:18

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一、电池分类简介

按照能量来源及转换可以分为3大类：

1、化学电池

将物质的化学能通过化学反应转化为电能；

2、物理电池

在一定条件下实现能量直接转换；

3、生物电池

生物质能直接转化为电能。

日常应用比较广泛且接触较多的主要是化学电池，化学电池又分了3大类：

1、一次电池

也称原电池，即不能够再充电的电池，如生活中常用的锌锰干电池；

2、二次电池

即可充电的电池，这也是汽车动力电池最基本的要求，常见的铅酸电池

锂离子电池

3、燃料电池

指正负极本身不含活性物质，活性材料连续不断从外部加入，如氢燃料电池；

二、锂离子电池简介

2.1 锂离子电池专业术语

主要列举了以下这些主要的跟电池相关的专业名词

2.2 锂离子电池分类

目前锂离子电池在新能源电动汽车等领域应用极为广泛，所以本章节主要介绍锂离子电池。

锂离子电池按照不同的分类方法可以分为不同的种类，常见的有这几种分类方法

不同材料体系的电池特点如下：

锂离子电池种类	电压(V)	可循环次数(次)	优缺点
钴系锂离子电池	3.7	500~1000	得到广泛普及成为锂离子的标准电池；昂贵，未被用于车载用途
锰系锂离子电池	3.7	300~700	安全性高；能快速充电、快速放电
磷酸铁系锂离子电池	3.2	1000~2000	廉价且循环寿命（因充放电而老化）、日历寿命（搁置而老化）长电压比其他锂离子电池低
三元系锂离子电池	3.6	1000~2000	电压还算高，循环寿命也长

2.3 锂离子电池充放电原理

充电

当对电池进行充电时，电池的阴极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到阳极。而作为阳极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达阳极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

放电

充满电的锂电池，锂离子嵌入在阳极材料上，阳极（负极）碳呈层状结构，有很多微孔，锂离子就嵌入在碳层的微孔中。放电时，Li+通过隔膜从阳极移动到阴极，电子无法通过隔膜，只能通过外面电路的负极移动到正极。（电子带负电，电子方向是负极到正极，电流方向就是正极到负极。）

2.4 锂离子电池的基本结构

以圆柱电芯为例：

正极片：

正极物质：正极材料（活性材料）、导电剂、粘结剂、分散剂

正极集流体：铝箔

正极极耳：铝带

隔膜：PP聚丙烯 (polypropylene ) /PE聚乙烯(Polyethylene)

负极片：

负极物质：负极极材料（活性材料）、粘结剂、增稠剂

负极集流体：铜箔

负极极耳：镍带

常见的正极物质

锂离子电池正极材料，为锂离子电池提供充放电过程中的活性物质。通常由相应的前驱体盐类通过固相烧结、液相沉积或者溶胶凝胶法制备出，制成的粉体颗粒度为微米级，SEM(scanning electron microscope)下的基本形貌如下图。

锂离子电池正极材料基本信息如下：

常见的隔膜材料

常见的负极材料

负极材料主要是石墨、碳粉或者硅碳复合材料，能够在充/放电的过程中，脱/嵌锂离子。负极材料的微观形貌如下图所示。

2.5 锂离子电池充放电曲线

室温下不同倍率下放电曲线：

分析：

横轴电芯容量，纵轴电芯电压；随着放电的进行，电量逐步减少，电压逐步降低；

通过这个倍率容量数据可以判定电芯的大电流下放电能力；

充电曲线：

理论上的充电曲线：

红线: 充电电量蓝线：充电电流

灰线：电压

当电池电压低于3.5V时，采用固定电流充电，直到电压达到4.2V左右(CC)

电压到4.2V,这时保证电压恒定的情况继续充电，电流逐渐下降

电流下降到最小值，充电一段时间，确认电池充满电，停止充电

充电器充电曲线：

1.充电器启动及短路/开路判断（不同的充电电路有不同的方法）一种以串联很小的电流（1MA),负载，检查电池电压是否稳定，如果电池电压在有效范围内波动，则启动充电流程, 如果电池电压不稳定，则判断是否为开路或短路（根据电压或电池温度电阻来判断）；
2.预充电当电池过放电时，电压小于2V 左右，电池电压过低，充电器通过很小的电流给电池充电，一般电池为恒流充电电流的0.1倍或更小，通过一段时间判断电池电压是否变化，如电池电压不变化表示，电池已坏或处于短路状态（电压为0），充电器停止充电。此过程另外短路充电阶段，电池电压逐步少，此时充电器适当输出充电电流，直到单节电池电压达到3.0V，大约 10% 的完全充电电流进行短时间“预调节”充电。这样可以防止电池过热，造成电池寿命或安全事故等；
3.快速充电阶段（恒流CC）

当电池电压大于3V左右，此时根据电池容量，通常以 0.5 C 或更低的恒定电流对电池充电直到电池电压达到 4.1 V 或 4.2 V（取决于具体电化学情况）；

4.恒压充电（CV)

当电池电压达到 4.1V 或 4.2 V 时，充电器切换到“恒压”阶段以杜绝过度充电。出色的电池充电器可以平稳地管理从恒流到恒压的转换，以确保达到最大容量，而不会产生损坏电池的风险。保持恒压会逐渐降低电流，直到达到约 0.1 C，此时充电终止。如果充电器与电池保持连接，则会定期“充满”电以抵消电池自放电。通常在电池的开路电压降至 3.9 V 至 4 V 以下时启动满充充电，并在再次达到 4.1 V 至 4.2 V 的满充电压时终止充电。