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1、课程：技术文件写作与交流Z姓名：林明华动力型锂电池摘要随着新能源汽车行业的加速推动，动力电池迅速成为国内外关注热点。由 于锂电池具有能量密度高、充电速度快、高循环寿命、成本较低以及无记忆性等 优势，已成为主耍动力源。文中介绍了动力型锂电池的历史发展和冃前现状，并 对其管理系统、充放电系统以及测试、回收等儿个方面进行了说明。1、刖吕新能源汽车未来逐渐替代传统汽油车已成为各国发展汽车产业的共识，作为 核心部件的动力电池则更被企业和投资者看好。动力电池是新能源汽车发展的关 键：混合动力汽车是冃前最佳的过渡产品，但纯动力电池汽车是未来发展方向， 核心技术在电池技术上的突破。新能源汽车对电池要求很高，必
2、须具有高比能量、高比功率、快速充电和深 度放电的性能，而且要求成本尽量低、使用寿尽量长。传统的铅酸电池、鎳镉电 池和镰氢电池本身技术比较成熟，但它们用在汽车上作为动力电池则存在较大的 问题。冃前，越来越多的汽车厂家选择釆用动力型锂电池作为新能源汽车的动力 电池。我国的新能源汽车电池产业起步虽晩于欧美日，但发展非常快。国家“863” 计划设立了电动汽车重大专项，中科院物理研究所、北京有色金属研究院、中国 电子科技集团公司第18研究所等单位参加了该项冃，分别开发了 EV和HEV用 两类动力电池，其中一些单位己采用了安全的镒体系正极活性材料。“十二五”、 “863”电动汽车重大专项又对HEV、PII
3、EV （外接充电式混合动力汽车）、FCV （燃 料电池车）用动力锂离子电池关键材料和电池的研发给予大力支持。冃前阻碍动力锂离子电池发展的瓶颈是具安全性能和汽车动力电池的管理 系统。2、动力型锂电池管理系统动力型锂电池智能管理系统主耍由充电模块、数据采集模块（包括电压、电 流、温度数据采集）、均衡模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块 组成。系统框图如图1所示。整个系统以单片机为主控制器，通过采集电流信息， 判断岀电池组是在充电、放电还是在闲置状态及是否有过流现象，并对具状态做 出相应处理。对各节电池电压进行采集分析后，系统决定是否启动均衡模块对整 个电池组进行能量均衡，同时判断是否有过
4、充或过放现象。温度的釆集主要用于 系统的过温保护。整个系统的工作状态、电流、各节电压、剩余电量及温度信息 都会通过液晶显示模块实时显示。图1管理系统结构框图2. 1充电控制模块原理与实现锂电池常规充电法是按预充、恒流、恒压三个阶段进行的。恒流阶段电流电压图2常规允电法时序图2. 2间歇式充电法为实现高通用性，使管理系统和外部的充电器单独工作，本电池管理系统采用间 歇式充电法，如图3所示。间歇式充电法是在预充和保持阶段通过间歇地打开和 关闭充电凹路，等效地改变充电电流的大小，进而实现在预充和保持状态时需耍 小电流、在正常充电时需要大电流的的性能要求。图3间/式充电法时序图23电压采样模块原理与实
5、现管理系统采用图4所示的电压采样检测方案o控制图4电压采样、均衡充电原理图3、动力锂电池充放电系统3. 1锂电池充电原理锂电池一般都是被设计用来提供大约3. 0V至4.3V的电压。始终保持锂电 池的电压在其设计界限范围内非常重耍，否则电池会遭受不可修复的损坏。如果 电池电压降到3.0伏以下，锂电池将进入深放电状态，一旦进入这种状态，就 需要数小时甚至数天才能恢复。实际上，深放电可能会造成电池短路，而电池短 路就无法恢复。另一而如果过充电使电压高于4. 3V可能会更糟糕，因为这样做 会破坏电池，造成过热或其他灾难性的后果。3. 2锂电池正确充电方法锂电池较好的充电方法是向电池提供一个1%限压的恒
6、定电流，直到电池 充满电，然后停止充电。并在充电过程中监视充电电流。随着电池的充电，电压 上升，电池电压达到充电电压时，充电电流开始下降。电流一开始下降时，电池 约充电至容量的50%至60% o充电电压继续提供，直到充电电流降至足够低的 水平然后整个充电周期结朿。3.3过度充电保护当锂电池发生过度充电时，电池内电解质会被分解，使得温度上升并产生气 体，使得压力上升而可能引起自燃或爆裂的危机，锂电池保护IC用意就是要防 止过充电的情形发生。过度充电保护IC的原理是：当外部充电器对锂电池充电 时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态，保护IC需检测电 池电压，当电压到达4. 25V时（
7、假设电池过充点为4.25V）即激活过充电保护， 将PowerM OS由开到关，进而截止充电。3. 4过度放电保护在过度放电的情形下，电解液因分解而导致电池特性劣化，并造成充电次数 的降低，锂电池保护IC用以保护其过放电的状况发生，达成保护动作。过度放电 保护IC的原理是：为了防止锂电池过度放电Z状态,假设锂电池接上负载，当锂 电池电压低于其过放电电圧检测点（假设设定为2. 3V）时,将激活过放电保扩 将PowerM OS由开到关，进而截止放电，以达成保护，避免电池过放电现象发生， 并将电池保持在低静态电流的状态，此时耗电为O.luA。当锂电池接上充电器, 且此时锂电池电压高于过放电电压时，过放
8、电保护功能方可解除。4、止极材料（磷酸铁锂）锂电池成木Z所以高于银氢电池，主要原因就在于具正极材料使用的是以贵 金属钻为原料的钻酸锂，镒酸锂和磷酸铁锂由于成木优势更为明显；不过，与镒 酸锂相比，磷酸铁锂的容量密度更高，前者为100115 mAh/g,后者为130 140 mAh/g；充放电寿命更长，前者为500次以上，后者可达1 500次以上； T作温度区间更大，前者为050 C,后者则为-4070 Co因此，在锂离 子电池中，磷酸铁锂电池最被看好。以下是磷酸铁锂电池的性能：（1）磷酸铁锂电池的循环性能：在循环超过1 600次以后电池的剩余容量 仍然在初始容量的80%以上。虽然冃前磷酸铁锂动力
9、电池的成本相对而言仍然较 高，但是较长的电池使用寿命将显著降低电动车的使用和维护成本。（2）高倍率充电性能：在充电的初期，电池的容量随时间呈直线变化,15 min 充电可以达到电池容量的55%, 25 min充电达到90%, 30 min充电容量超过95%,这 表明磷酸铁锂电池可以采用较高的倍率充电，在较短时间内将电池充满电。（3）磷酸铁锂电池的安全性：在钢钉刺穿的初期，由丁内部短路，造成电池 电压迅速下降，并由一定量的热量放出，电池的温度有所上升。但是由丁被刺穿后 电池内部真空度显著下降，造成短路接触部分变形，出现接触不良，此时便没有再 多热量放出，因此电圧趋于稳定，电池的温度只有稍微上升。
10、（4）磷酸铁锂电池的能量密度：重量能量密度是电池性能的一个重耍指标。 图1为20 Ah的磷酸铁锂电池充满电后以0. 3 C倍率放电到2. 0 V,将放电曲线进 行积分可以得到电池放出的能量。经过积分计算后，20 Ah的磷酸铁锂电池放出 T70. 7Wh的能量，而电池的重量为580 g,因此可以计算出磷酸铁锂电池的重量用420 Ah畴酸挟迎电池放电能量能量密度为121.90 Wh/kgo（5）磷酸铁锂电池不同温度下的放电：在测试时，单只电池由丁暴露的比表 面积较大，因此在整个测试过程中的温度-基本与环境相同，因此放电容量受到较 大影响。在较高的温度下磷酸铁锂电池受影响较小，如在55 CU寸电池相
11、对25 C 时的放电容量只稍有增加。通过以上研究表明，磷酸铁锂电池具有长的循环寿命、高的安全性和能量密 度，同时由于磷酸铁锂电池在整个生产过程中不使用含铅、镉、汞、六价洛等有 毒重金属元素的物料，电池的包装材料中不含多浪联苯和多混二苯醍，磷酸铁锂 电池也更环保。因此，磷酸铁锂电池在电动车和大规模化学储能领域必将有更广 阔的应用。5、锂电池的安全标准动力锂电池在安全性能方面，由于动力型锂电池具有能量密度大、丁作温度 高、工作环境恶劣等方面的原因，对电池的安全性提出了非常高的要求。由于汽 车动力电池的工作电压是12 V或24 V,而单个动力锂离子电池的工作电压是 3.7 V,因此必须由多个电池串联
12、而提高电压，但由丁电池难以做到完全均一的 充放电，因此导致串联的多个电池组内的单个电池会出现充放电不平衡的状况， 电池会出现充电不足和过放电现象，而这种状况会导致电池性能的急剧恶化，最 终导致整组电池无法正常工作，甚至报废，从而大大影响电池的使用寿命和安全 性能。近年来，针对锂电池的检测手段越来越成熟，国际和国内都相继推出了多个 安全性标准，如 GB/T 18287-2000 IEC 62133. UL 1642、1EEE1625 等，另外， 还有很多针对锂电池运输、在设备中使用时的安全标准，如UN 3& 3、GB 4943 等。但是，近年来随着锂电池的普及和容量的增大，还是屡屡发生锂离子电池
13、爆 炸伤人或因安全隐患召冋产品等事件，各个国家都在纷纷研究新的锂电池安全 技术，开展更适合当今锂电池的检测手段，如日本JISC8714的强制内部短 路试验，IEC的上下限温度测试手段、钝刺试验等。下而表1对各种锂电池检测标准作一个归纳。表I 锂电池安全标准的测试内容检测目的.检测方法及技求要朮对直的标准产為便用安全性环境适虫性电性能 （电芯.电池）电芯电池GB/T 182871)圭物冲击1)过充电保护1)1)O.2C5A放电2)然冲击2)过放电保护2)振动2)1C5A放电3)过充电3)短路保护3)3)髙温枝能4)4)自由扶落4)低温性能，5)荷电保持6)循环垮命1EC 621331)持续低速孕
14、充电1)外部短路1)扳动/2)外部短跑2)机诫冲击3)強迫放电3)溜度循环4)4)5)热冲击6)挤広（电芯）7)8)电池外尢应力I EC 619601）20 T放电2）-20 r放电3）高連学放电4）荷电保持及復眾5）长时6）備环寿今7）内徂8）静电放电IEC 60086-4 (GB 8897-4)1）外部短路1）外部短路1)2）钱制放电2）强制放电2)3）不正常充电3）不正常充电3)4）错谋安報4）错俣安敕4)5）过祓电5）过放电5)6)7)8)环 滾击 压循 跌冲 孔度动击击压曲度 低温振冲M挤囱温UN ST/SG/AC0/11/ Re.4-2003 (UN 38.3)1）外部短路2）强制放电1）外部短路2）过充电环压循乞度动击授 低温振冲碰 V?12 3 4 5UL 16421)外部繼路1)外师短珞1)2)不正常充电2)不正常充电2)3)企制放电3)强制放电3)5)6)7)8)动击冲度击烧压气 揉冲盤温技燃挤低LIL 20541）外部短路1）外部短路1)2）不正常充电2）不正常充电2)3）殘制放电3）乱充电3)4）强制放电4)5）限功率测试5)环击循动击冲度击烧压落振冲热温撞悭挤践7）8）9）
