汽车锂离子电池和PACK设计开发

NO.021 1锂离子电池术语 （1）电压（V）： 开路电压（OCV）：指电池在没有连接外电路或者外负载时的电压。开路电压与电池的剩余能量有一定的联系，电量显示就是利用这个原理。 工作电压（WV）：是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，必须克服内阻的阻力，故工作电压总是低于开路电压。放电截止电压（DCV）：指电池充满电后进行放电，放完电时达到的电压（若继续放电则为过度放电，对电池的寿命和性能有损伤）。充电限制电压(LCV)：充电过程中由恒流变为恒压充电的电压。 （2）电池容量（Ah）： 电池容量是指电池所能够储存的电量多少，容量是电池电性能的重要指标，它由电极的活性物质决定。 容量用C表示，单位用Ah（安时）或mAh（毫安时）表示。 公式：C=It，即电池容量（Ah）＝电流（A）x放电时间（h）。容量为10安时的电池，以5安培放电可放2小时，以10安培放电可放1小时。 电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。 理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。 现国家已经就能量密度提出了要求，动力电池系统能量密度不低于 90Wh/kg（高于120Wh/kg的按1.1倍给予补贴） 实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah，其值小于理论容量。 额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。 电池的实际容量主要取决于以下几个因素：活性物质的数量、质量；活性物质的利用率。 （3）内阻（mΩ）： 电池的内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部受到的阻力。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，欧姆内阻是由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成，极化内阻包括电化学极化和浓差极化引起的电阻。 由于内阻的存在，当电池放电时，电流经过内阻要产生热量，消耗能量，电流越大，消耗能量越多，所以内阻越小，电池的性能越好，不仅电池的实际工作电压高，消耗在内阻上的能量也少。 内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。 电池的内阻不是常数（电阻分为物理内阻与极化内阻），在放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变。 欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度的对数增大而线性增大。 （4）负载能力 当电池的正负极两端连接在用电器上时，带动用电器工作时的输出功率，即为电池的负载能力。 （5）内压 指电池的内部气压，是密封电池在充放电过程中产生的气体所致，主要受电池材料、制造工艺、电池结构等因素影响。其产生原因主要是由于电池内部水分及有机溶液分解产生的气体于电池内聚集所致 （6）充电率(C-rate)： C是Capacity的第一个字母，用来表示电池充放电时电流的大小数值。例如：充电电池的额定容量为1100mAh时，即表示以1100mAh(1C)放电时间可持续1小时，如以200mA(0.2C)放电时间可持续5小时， 充电也可按此对照计算。 （7）过放电(Overdischarge)： 电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。 （8）过充电（Overcharge）： 电池在充电时，在达到充满状态后，若还继续充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏夜等情况发生，电池的性能也会显著降低和损坏。 （9）充、放电深度（SOCDOD）： 电池保有容量数值的表示方法。充、放电深度以百分比率来表示。如：容量为10Ah的电池放电后容量变为2Ah，可以称为80%DOD。如：容量为10Ah的电池，充电后容量为8Ah，80%SOC。形容满充满放，通常称为100%DOD。 （10）自放电率（％/月） 1)定义：电池在储存过程中，容量会逐渐下降，其减少的容量不电池容量的比例，称为自放电率。 2)原因：由于电极在电解液中的不稳定性，电池的两个电极发生了化学反应，活性物质被消耗，转为电能的化学能减少，电池容量下降。 3)影响因素：环境温度对其影响较大，过高温度会加速电池的自放电。 4)表示：电池容量衰减（自放电率）的表达方法和单位为：%/月。 5)产生结果：电池自放电将直接降低电池的容量，自放电率直接影响电池的储存性能，自放电率越低，贮存性能越好 （11）充电循环寿命（Cyclelife） 概念：二次电池经历一次充放电称为一个周期或一次循环，电池在反复充放电后，容量会逐渐下降.在一定的放电条件下，电池容量降至80%时，电池所经受的循环次数就是循环寿命。 循环寿命与电池充放电条件有关：锂离子电池室温下0.5C充放电循环寿命可达3000-5000次（行业标准）。 影响因素：不正确使用电池，电池材料，电解质的组成和浓度，充放电倍率，放电深度（DOD%），温度，制作工艺等都对电池的循环寿命有影响。 （12）放电倍率（A） 放电倍率是指在规定时间内放出其额定容量（C）时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数。根据放电倍率的大小，可分 为低倍率（<0.5C）、中倍率（0.5-3.5C）、高倍率（3.5-7.0C）、超高倍率（>7.0C）。以10Ah电池举例：以2A放电，则放电倍率为0.2C；以20A放电，则放电倍率为2C。 （13）电池能量（Wh） 定义：指电池储存的能量的多少，用Wh来表示 公式：能量（Wh）＝额定电压（V）×工作电流（A）×工作时间（h)。 举例：3.2V15Ah单体电芯的能量为48Wh，3.2V100Ah电池组的能量为320Wh。电池能量是衡量电池带动设备做功的重要指标，容量不能决定做功的多少。 （14）能量密度（Wh/Kg） 指单位体积或质量所释放的能量，通常用体积能量密度（Wh/L）或质量能量密度（Wh/kg）表示。 如一节锂电池重325g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其能量密度为113Wh/kg，下表为理论值，在实际应用情冴中需要考虑电池结构中的壳体、零件等各方面因素。 目前锂电池的能量密度是镍镉和镍氢电池的3和1.5倍，能量密度的高低是由材料密度不结构决定的。 能量密度 铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池 Wh/kg 30—50 50—60 60—70 130—150 Wh/L 50—80 130—150 190—200 350—400 （15）记忆效应(Memoryeffect) 定义：电池的记忆效应是指未完全放电的电池，在下一次充电时所能充电的百分比。 原因：电池内物质产生结晶，如镍镉电池中，Cd不断聚集成团形成大块金属镉，降低了负极的活性。 避免：为了消除电池的记忆效应，在充电之前，必须先完全放电，然后再充电。锂离子电池无记忆效应! （16）化成 电池制成后，通过一定的充放电方式将其内部正负极活性物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、贮存等综合性能的过程称为化成。电池经过化成后才能体现其真实的性能。同时化成过程中的分选过程能够提高电池组的一致性，使最终电池组的性能提高。 （17）分容 电池在制造过程中，因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定的充放电制度检测，并将电池按容量分类的过程称为分容。 （18）放电平台 指放电曲线中电压基本保持水平的部分。锂离子电池完全充电后，放电至3.6V时的容量记为C1，放电至3.0V时的容量记为C0，C1/C0称为该电池的放电平台 放电平台越高、越长、越平稳，电池的放电性能越好。行业标准1C放电平台为70%以上。 （19）充电时间 充电时间(小时)=充电电池容量(mAh)/充电电流(mA)*1.5的系数。假如你用1600mAh的充电电池，充电器用400mA的电流充电，则充电时间为：1600/400*1.5=6小时。 （20）电池组的一致性 由多个单体电芯串连、并联在一起就组成了电池组。电池组的整体性能和寿命取决于其中性能较差的一个电芯，这就要求电池组中每个电芯性能的一致性要高。 除了单体电芯本身性能的误差和原材料质量的好坏，最主要原因是制造工艺，工艺的改迚对提高电池的质量非常重要。 2锂离子电池介绍 （1）什么叫锂离子电池： 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：LiFePO4、LiMn2O4和LiCoO2 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。 （2）锂离子电池分类： 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 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）按性能特性分：高容量电池、高倍率电池、高温电池、低温电池等。 （3）锂离子电池结构： 1）正极：活性物质（LiFePO4、LiMn2O4和LiCoO2）+导电剂（乙炔黑）+粘合剂（PVDF）+集流体（铝箔） 2）负极：石墨+导电剂（乙炔黑）+粘合剂（PVDF）+集流体（铜箔） 3）电解质：LiPF6、LiAsF6等+DMCECEMC 4）隔膜（PP+PE) 5）外壳五金件：铝壳、盖板、极耳、绝缘片 （4）锂离子电池工作原理： 充电时：正极的Li+和电解液中的Li+向负极聚集，得到电子，被还原成Li镶嵌在负极的碳素材料中。 放电时：镶嵌在负极碳素材料中的Li失去电子，进入电解液，电解液内的Li+向正极移动。 充电过程：电源给电池充电，此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极与早就跑过来的电子结合在一起。 正极上发生的反应为LiMn2O4==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(电子)负极上发生的反应为6C+XLi+Xe==LixC6 放电过程：电池放电，此时负极上的电子e从通过外部电路跑到正极上，正锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。 正极上发生的反应为Li1-xMn2O4+xli++xe(电子)==LiMn2O4负极上发生的反应为LixC6==6C+xLi+xe （5）锂离子电池性能： 1）常规性能：容量、电压、内阻 2）电化学性能：充电特性、放电特性、循环寿命、倍率充电特性、倍率放电特性、低温特性、电池组放电特性 3）安全性能：挤压、针刺、短路、过充、过放、热冲击、热循环、振动、低压、湿水 （6）锂离子电池生产所用设备： 真空搅拌机、拉浆机（涂布机）、裁切机、辊压机、卷绕机、激光焊机、真空注液机、化成检测柜。 3电池包的基本组成 （1）电池包总成基本构成： 序号 构成名称 分构成名称 子构成名称 1 电池包 模组结构件 钣金箱体、塑料件 汇流排 铜排、铝排、插件 线束 2 电池管理系统总成 BMU 电压采集线件、温度采集件 BCU显示模块 3 高压箱 电流采集回路 霍尔 充放电总回路 总正继电器、总负继电器 预充回路 预充继电器、功率电阻 4 热控制系统 （选配） 加热模块散热模块 （2）单体动力电池： 构成动力电池模块的最小单元。一般由正极、负极、电解质、隔膜