动力电池基础知识普及

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1、锂电池基础的方方面面介绍锂电池基础的方方面面介绍 目录 1. 锂电池的构成锂电池的构成 2. 锂电池的优缺点锂电池的优缺点 3. 锂电池的分类锂电池的分类 4. 常用术语解释常用术语解释 5. 锂电池命名规则锂电池命名规则 6. 锂电池工艺锂电池工艺 7. 锂电池成组和串并联锂电池成组和串并联 8. 各种动力电池对比各种动力电池对比 9. 锂电池模型锂电池模型 10. 锂电池电气特性与关键参数锂电池电气特性与关键参数 11. 锂电池保护和管理系统锂电池保护和管理系统 12. 锂电池应用领域锂电池应用领域 13. 锂电池相关标准锂电池相关标准 （一）锂电池的构成 锂电池主要由两大块构成， 电芯和

2、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： 电芯的构成如下面两图所示: 锂电池的 PACK 的构成如下图所示: （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-C

3、d） 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) 2530 4045 6065 120200 体积能量密度（Wh/L） 6580 150180 300350 350400 最佳工作温度() -4070 -2060 -2045 045 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） 200300 500 1000 5001500 电池成本(RMB/Wh) 0.61.0 2.02.6 2.53.8 2.03.5 充电器成本 低 (稳压源) 一般 （恒流源） 一般 （恒流源）

4、高 (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

5、能特性分：高容量电池、高倍率电池、高温电池、低温电池等。 （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 8001900mAh，电动自行车一般都是 1020Ah，电动汽车一般都是 20200Ah 等。 2. 充放电倍率（Charge-Rate/Discha

6、rge-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 2080%的容量时，电压集中在 3.7V 左右（3.63.9V 左右），容量太高或太低，电

7、 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

8、阻单位用毫欧（m）。 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

9、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.

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，0100%。反映电池剩余电量情况。 （五）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

11、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。 （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。

12、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

13、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，250500V 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

14、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 510 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

15、 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） 2.83.0 2.02.3 2.22.4 1.01.4 2 比表面积（m2/g） 0.40.6 0.20.4 0.40.8 1220 3 容量密度（Ah/kg） 135140 155165 100115 130140 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 高 低廉 低廉 8 环

16、保 含钴 含镍、钴 无毒 无毒 9 安全性能 差 较好 良好 优秀 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 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 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