BMS开发-电池简介

原创 小飞哥玩嵌入式 2024-04-28 20:30

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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:

锂离子电池种类电压(V)可循环次数(次)优缺点
钴系锂离子电池3.7500~1000得到广泛普及成为锂离子的标准电池;昂贵,未被用于车载用途
锰系锂离子电池3.7300~700安全性高;能快速充电、快速放电
磷酸铁系锂离子电池3.21000~2000廉价且循环寿命(因充放电而老化)、日历寿命(搁置而老化)长电压比其他锂离子电池低
三元系锂离子电池3.61000~2000电压还算高,循环寿命也长

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。

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