BMS开发-电池简介

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：

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。

三、经验交流

电芯知识比较复杂，需要更多专业的知识，本文仅仅是讲述一些基本的常识性知识，希望能够帮助大家对电芯有个基本的认识，欢迎大家和小飞哥一起交流嵌入式开发、BMS开发的更多内容。