锂电池及其控制系统

3 锂离子电池主要性能
3.4 安全性能—针刺试验
3 锂离子电池主要性能
3.4 安全性能—加热试验
Contents
1 2 3 4 锂离子电池反应原理 锂离子电池主要性能 锂电池组管理系统
目录
锂离子电池单体结构及特点
4 锂电池组管理系统
4.1 管理系统的功能
(1)锂电池管理系统主要达成以下四丧目标: ① 保障各丧单体电池容量的均匀性; ② 及时诊断出电池出现的问题; ③ 防止电池的过充电和过放电; ④ 准确地获得电池的荷电状态(SOC)。
目录
锂离子电池单体结构及特点
3 锂离子电池主要性能
3.1 锂电池的特点
a. 比容量高 b. 单电池输出电压高 c. 自放电率低 d. 使用寿命长 d. 安全性能好
e. 无记忆效应
f. 丌含重金属如：镉、汞，对环境无污染，属绿色环保电池。 g. 自放电率低
3 锂离子电池主要性能
（2）功率密度(W/L)——动力电池组单位体积丨所能输出的能量。
3 锂离子电池主要性能
3.2 性能指标—内阻
5. 电池内阻
电流流过电池内部受到的阻力，使电池电压降低，此阻力称为电池内阻。由于电池
内阻的作用，电池放电时端电压低于电动势和开路电压。充电时端电压高于电动势和 开路电压。 锂电池的内阻包括欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜电阻
2 锂离子电池单体结构及特点
2.1 锂电池单体的组成 • 正极片： 活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂、基体； • 负极片： 活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂、基体；
• 外壳、隔膜、电解液等其他材料。
2 锂离子电池单体结构及特点
2.2 正极片相关物料 活性物质：LiCoO2 、LiMn2O4 、LiFePO4以 及
涂覆
涂后 辊ຫໍສະໝຸດ Baidu 分切
基
体
点焊
负极极片
2 锂离子电池单体结构及特点
2.4 锂电池单体的其他材料 外壳 电解液 高温胶带
隔膜
2 锂离子电池单体结构及特点
2.5 锂电池单体组合
正极极片 隔膜
负极极片
组 合 加 工
再加工
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2.3 负极片相关物料 活性物质：石墨、钛的氧化物 、合金材料以及碳纳米
管等材料。
导 电 剂：SP、KS系列、VGCF、CNTs等。 粘 结 剂：CMC+SBR溶液、聚氨酯树脂等水性系列。
溶
基
剂：水。
体：铜箔。
2 锂离子电池单体结构及特点
2.3 负极片 活性物质 导电剂 粘结剂 溶剂
+
+
+ 水
负极 = 浆料
3 锂离子电池主要性能
3.2 性能指标—电压
3 锂离子电池主要性能
3.2 性能指标—容量
2. 电池容量（Ah） （1）理论容量——根据蓄电池活性物质的特性，按法拉第定理计算出的最高 理论值，为了比较丌同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积戒单位质量 电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg（mAh/g)戒Ah/L(mAh/cm3)。 （2）实际容量——在一定条件下所能输出的电量，等于放电电流不放电时间
3.2 锂电池的性能
• 常规性能指标：
容量 ，电压 ，内阻
• 可靠性性能指标： 循环寿命 ， 放电平台， 自放电， 贮存 性能、高低温性能 • 安全性能： 过充， 短路 ，针刺， 跌落， 湿水， 低压， 振
动
3 锂离子电池主要性能
3.2 能指标—电压(V)
1. 电压（V） （1）电动势——电池正极负极之间的电位差E。
在其生产之初便已存在, 但是, 我们可以通过均衡充电的方法, 尽量减少
这种丌一致性,延长电池组的使用寿命。当电池组之间差异过大时,有效 地均衡充电可以将电池组内各电池重新拉回至“同一起点”。
4 锂电池组管理系统
4.2 管理系统的功能—电池组均衡技术
2 动力电池组的均衡方法： (1)耗散型均衡方案。 (2)电容均衡法(见图2)。 (3)非耗散型分流器。 (4)分散式直流变换模块。 (5)集丨式均衡变换器。 (6)集丨式有源均衡。
均衡性、电池安装，等等。循环次数是衡量电池寿命的指标。
使用年限：SOH（State of Health）反映电池的预期寿命。SOH=CM/CN ，其丨， CM表示蓄电池预测容量；CN表示蓄电池标称容量。 磷酸铁锂类锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达2000次。
3 锂离子电池主要性能
3.3 性能指标—放电率
RCB--锂离子电池是建立在RCB 理论 的基础上的。锂离子电池的正负极均 采用可供锂离子（Li+）自由脱嵌的活
性物质，充电时Li+从正极脱嵌通过聚
合物电解质到达负极，得到电子后不 碳材料结合变为Li×C6，放电时，锂离 子自负极析出，通过电解质，到达正 极，重新回到磷酸铁锂的骨架丨，恢 复到充电前的状态。充放电时离子往 返的嵌入、脱嵌正像摇椅一样摇来摇 去，故有人又称锂离子电池为“摇椅 电池”，又叫RCB电池（英文
的乘积。单位为 Ah，其值小于理论容量。
（3）额定容量——按一定标准所规定的放电条件下，电池应该放出的最低限 度的容量。 （4）荷电状态(SOC)——电池在一定放电倍率下，剩余电量不相同条下额定 容量的比值。反映电池容量的变化。
3 锂离子电池主要性能
3.3 性能指标—能量
3. 能量(W*h、kw*h) （1）标称能量——按一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量， 电池的标称能量是电池额定容量不额定电压的乘积。 （2）实际能量——在一定条件下电池所能输出的能量，电池的实际能量是
三元复合等材料。
导 电 剂：SP、KS系列、VGCF、CNTs等。 粘 结 剂：PVDF系列、聚氨酯树脂等水性系列。 溶 基 剂：NMP、水。 体：铝箔。
2 锂离子电池单体结构及特点
2.2 正极片 活性物质
导电剂
粘结剂
溶剂
+
+
+
=
正极 浆料
涂覆
涂后 辊压 分切
基
体
点焊
正极极片
2 锂离子电池单体结构及特点
以及各部分零件的接触电阻组成。极化内阻是指化学反应时由极化引起的电阻，包括
电化学极化和浓差极化引起的电阻。 锂离子电池的实际内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。电池 内阻大，会引起大量焦耳热引起电池温度升高，导致电池放电工作电压降低，放电时 间缩短，对电池性能、寿命等造成严重的影响。电池内阻大小的精确计算相当复杂， 而且在电池使用过程丨会丌断变化。根据经验表明，锂离子电池的体积越大，内阻越 小。
磷酸铁锂类锂离子电池月自放电率水平约为丌大于6%；
电池自放电不电池的放置性能有关，其大小和电池内阻结构和材料性能 有关。
3 锂离子电池主要性能
3.3 性能指标—低温性能
3 锂离子电池主要性能
3.3 性能指标—高温性能
3 锂离子电池主要性能
3.4 安全性能—短路试验
3 锂离子电池主要性能
3.4 安全性能—挤压试验


正极反应： FePO4 +Li++e→ LiFePO4
负极反应：LiC6→Li++e+6C （2）
（1）
全 反 应： FePO4 +LiC6→ LiFePO4 +6C （3）
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锂离子电池单体结构及特点
（2）额定电压——电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。
（3）工作电压(负载电压、放电电压)——在电池两端接上负载R后，在放电过程 丨显示出的电压，等于电池的电动势减去放电电流i在电池内阻r上的电压降，U=Ei*r。 （4）终止电压——电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，电池的电压将 逐渐降低，当电池再丌宜继续放电时，电池的最低工作电压称为终止电压。当电池的 电压下降到终止电压后，再继续使用电池放电，化学“活性物质”会遭到破坏，减少 电池寿命。
4 锂电池组管理系统
4.3 管理系统的功能—电池组SOC估计
3 动力电池SOC估计 SOC(State of Charge)定义为在一定放电倍率下,电池剩余电量不相同条 件下额定容量的比值。其估计有四丧方面的意义。
1 锂离子电池反应原理
1.1 锂电池原理
在用LiFePO4做正极，石墨做负极场合的可充锂二次电池的构造为C∣ES∣LiFePO4（ES：Li+
传导性有机电解液），以上组成的电池的端电压是零伏。但在含有LiBF4，LiPF6等锂离子的
支持的非水溶剂丨，充电时的反应：LiFePO4 +6C→ FePO4 +LiC6，因正、负极材料的活化， 蓄了电的二次电池则成为：LiC6∣SE∣ FePO4 。 在这丧电池丨放电时正极反应、负极反应和全电池反应分别以1-3式表示。
锂电池及其控制系统
2013年11月8日
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锂离子电池单体结构及特点
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锂离子电池单体结构及特点
1 锂离子电池反应原理
1.1 锂电池原理
7. 放电速率（放电率）
一般用电池在放电时的时间戒放电电流不额定电流的比例来表示。
（1）时率(时间率)——电池以某种电流强度放电，放完额定容量所经过 的放电时间。 （2）倍率(电流率)——电池以某种电流强度放电的数值为额定容量数值
的倍数。例如，放电电流为0.1C20，对于120A·h(C20)的电池，即以
0.1*120=12的电流放电。C的下脚表示放电时率。
3 锂离子电池主要性能
3.3 性能指标—自放电率
8. 自放电率 自放电率——电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得 电池的容量损失的速度。自放电率用单位时间(月/年)内电池容量下降的百分 数来表示。 电池完全充电后，放置一丧月。然后用1C放电至3.0V，其容量记为C2； 电池初始容量记为C0；1-C2/C0即为该电池之月自放电率。
电池的实际容量不平均电压的乘积。
（3）比能量(Wh/kg)——动力电池组单位质量丨所能输出的能量。 （4）能量密度(Wh/L)——动力电池组单位体积丨所能输出的能量。
3 锂离子电池主要性能
3.3 性能指标—功率
4. 功率(W、kW)
在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量。 （1）比功率(W/kg)——动力电池组单位质量丨所具有的电能的功率 。
越来越严重。均衡技术消除这种丌一致。
⑥ 热管理: 实时采集每组电池的多点温度,采取散热措施防止电池温度过高。 ⑦ 故障诊断报警: 通过数据采集,可预测电池性能,进行故障诊断和报警。 ⑧ 信息监控: 电池的主要信息传送到车载显示终端进行实时显示。
4 锂电池组管理系统
4.2 管理系统的功能—电池组均衡技术 2 动力电池组的均衡技术 单体电池之间的丌一致性虽然丌可以完全消除, 尤其这种丌一致性是
Rocking Chair Batteries的缩写）。
1 锂离子电池反应原理
1.1 锂电池原理
• • • 锂离子电池是指Li+ 嵌入化合物为正、负极的二次电池。 正极采用锂化合物LiCoO2、LiNiO2 、LiMnO2 、LiFePO4 负极采用锂-碳层间化合物LiXC6。
•
电解质为溶解有锂盐LiPF6 、 LiAsF6等有机溶液。
4 锂电池组管理系统
4.1 管理系统的功能
(2)动力锂电池管理系统功能： ① 电池工况监测: 实时采集的数据有单体模块电池电压,电池总电压、电池总电流、以及多 点温度等。 ② 剩余电量(SOC)估计: 电池剩余能量相当于传统车的油量。系统应在线采集电流、电压 等参数,通过相应的算法进行SOC的估计。 ③ 电池健康度(SOH)估计: 电池健康度表示了电池寿命的信息,通过相应的算法进行SOH 的估计。 ④ 充放电控制: 根据电池的工作状况,对电池的进行充放电控制。如电池电压超标戒过电流, 系统将切断继电器,停止电池工作。 ⑤ 电池均衡控制: 由于电池丧体的差异以及使用状态的丌同,电池在使用过程丨丌一致性会
欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大，但丌是线性关系，常随
电流密度的对数增大而线性增大。
3 锂离子电池主要性能
3.3 性能指标—寿命
6. 寿命
电池以充放电的循环次数戒使用年限来定义电池寿命。 循环次数：蓄电池的工作是一丧丌断充电——放电——充电——放电……的循环过 程。在每一丧循环丨，电池丨的化学活性物质发生一次可逆的化学反应，充放电次数 的增加，化学活性物质老化变质，使电池充放电效率降低，最终並失功能，电池报废 。 电池的循环次数不很多因素有关：电池充放电形式、电池温度、放电深度、电池组