(1) تكوين بطارية ليثيوم أيون

تتكون بطارية Li-ion بشكل أساسي من جزأين: خلية البطارية ولوحة الحماية PCM (تسمى بطارية الطاقة عمومًا نظام إدارة البطارية BMS). ال خلية بطارية ليثيوم أيون هو قلب بطارية Li-ion، ونظام الإدارة يعادل دماغ بطارية Li-ion.

يتكون القلب بشكل رئيسي من مادة القطب الموجب، مادة القطب السالب، المنحل بالكهرباء، الحجاب الحاجز، وقذيفة. تتكون لوحة الحماية بشكل أساسي من شريحة الحماية (أو شريحة الإدارة)، وأنبوب MOS، والمقاومة، والسعة، ولوحة PCB.

(2) مزايا وعيوب بطارية ليثيوم أيون

تتميز بطارية Li-ion بالعديد من المزايا، مثل منصة الجهد العالي، وكثافة الطاقة العالية (خفيفة الوزن، صغيرة الحجم)، وعمر الخدمة الطويل، وحماية البيئة.

عيب بطارية الليثيوم هو أن السعر مرتفع نسبيًا، ونطاق درجة الحرارة ضيق نسبيًا، وهناك مخاطر أمنية معينة (تحتاج إلى إضافة نظام حماية).

(3) تصنيف بطارية ليثيوم أيون

يمكن تقسيم بطاريات الليثيوم إلى فئتين: البطاريات غير القابلة لإعادة الشحن التي تستخدم لمرة واحدة والبطاريات القابلة لإعادة الشحن (المعروفة أيضًا بالبطارية).

البطاريات غير القابلة لإعادة الشحن، مثل بطاريات ثاني أكسيد الليثيوم المنغنيز، وبطاريات كبريتيد الليثيوم.

يمكن تقسيم البطاريات القابلة لإعادة الشحن إلى الفئات التالية وفقًا للمواقف المختلفة.

1. حسب المظهر: بطارية ليثيوم مربعة (مثل بطارية الهاتف المحمول العادية) وبطارية ليثيوم أسطوانية (مثل 18650 من الأدوات الكهربائية)؛
2. وفقا للمواد الاستعانة بمصادر خارجية: بطارية الليثيوم قذيفة الألومنيوم، بطارية الليثيوم قذيفة الصلب، وبطارية حقيبة لينة.
3. وبحسب مواد الكاثود، حمض كوبالتيك الليثيوم (LiCoO2)، ومنجنات الليثيوم (LiMn2O4)، والليثيوم الثلاثي (linixcoymnzo2)، وفوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4)؛
4. وفقا لحالة المنحل بالكهرباء: بطارية ليثيوم أيون (LIB) وبطارية بوليمر (PLB)؛
5. حسب الاستخدام: البطارية العامة وبطارية الطاقة.
6. وفقًا لخصائص الأداء: بطارية ذات سعة عالية، بطارية ذات معدل مرتفع، بطارية ذات درجة حرارة عالية، بطارية ذات درجة حرارة منخفضة، إلخ.

(4) شرح المصطلحات الشائعة

1. سعة

ويشير إلى كمية الكهرباء التي يمكن الحصول عليها من بطارية الليثيوم في ظل ظروف تفريغ معينة.

نحن نعلم في الفيزياء في المدرسة الثانوية أن صيغة الكمية الكهربائية هي q = I * t، والوحدة هي كولوم، ويتم تحديد وحدة سعة البطارية على أنها Ah (أمبير ساعة) أو mAh (ملي أمبير ساعة). وهذا يعني أنه يمكن تفريغ بطارية بقوة 1 أمبير لمدة ساعة واحدة بتيار قدره 1 أمبير عندما تكون مشحونة بالكامل.

في الماضي، كانت بطارية هاتف نوكيا المحمول القديم (مثل bl-5c) تبلغ 500 مللي أمبير بشكل عام. الآن، بطارية الهاتف الذكي الحالية هي 800-1900 مللي أمبير، وبطارية الدراجة الكهربائية بشكل عام 10-20 أمبير، وبطارية السيارات الكهربائية بشكل عام 20-200 أمبير.

2. معدل الشحن / معدل التفريغ

إنه يشير إلى مقدار التيار المستخدم للشحن والتفريغ. يتم حسابها بشكل عام من خلال مضاعف السعة الاسمية للبطارية، والتي تسمى عمومًا "عدة C".

بالنسبة للبطارية بسعة 1500 مللي أمبير، يتم تحديد 1c = 1500 مللي أمبير. إذا كان التفريغ عند 2c، فهذا يعني التفريغ عند تيار 3000ma. الشحن والتفريغ عند 0.1c يعني أنه يتم الشحن والتفريغ عند تيار 150 مللي أمبير.

3. الجهد (OCV: جهد الدائرة المفتوحة)

يشير جهد البطارية عمومًا إلى الجهد الاسمي لبطارية الليثيوم (المعروف أيضًا باسم الجهد المقنن). يبلغ الجهد الاسمي لبطارية الليثيوم العادية بشكل عام 3.7 فولت، ونسميها أيضًا منصة الجهد 3.7 فولت. عندما نقول الجهد، فإننا نعني بشكل عام جهد الدائرة المفتوحة للبطارية.

عندما تكون سعة البطارية 20-80%، يتركز الجهد حوالي 3.7 فولت (3.6-3.9 فولت)، عندما تكون السعة عالية جدًا أو منخفضة جدًا، ويتغير الجهد بشكل كبير.

4. قوة الطاقة

عندما يتم تفريغ البطارية وفقًا لمعيار معين، فإن الطاقة (E) التي يمكن للبطارية تفريغها هي Wh (واط/ساعة) أو kWh (كيلوواط/ساعة)، و1kwh = 1 كيلوواط/ساعة.

يحتوي كتاب الفيزياء على مفهوم أساسي، e = u * I * t، والذي يساوي أيضًا جهد البطارية مضروبًا في سعة البطارية.

صيغة الطاقة هي p = u * I = E / T، والتي تمثل الطاقة التي يمكن إطلاقها لكل وحدة زمنية. الوحدة هي ث (W) أو كيلوواط (كيلوواط).

بالنسبة للبطارية بسعة 1500 مللي أمبير، يكون الجهد الاسمي عمومًا 3.7 فولت، وبالتالي تكون الطاقة المقابلة 5.55 وات في الساعة.

5. مقاومة

نظرًا لأن الشحن والتفريغ لا يمكن أن يكونا معادلين لمصدر طاقة مثالي بسبب وجود مقاومة داخلية معينة. المقاومة الداخلية تستهلك الطاقة. كلما كانت المقاومة الداخلية أصغر، كان ذلك أفضل.

وحدة المقاومة الداخلية للبطارية هي ملي أوم (mΩ).

بشكل عام، تتكون المقاومة الداخلية للبطارية من مقاومة داخلية أومية ومقاومة داخلية مستقطبة. يتأثر حجم المقاومة الداخلية بالمادة وعملية التصنيع وهيكل البطارية.

6. دورة الحياة

بمجرد شحن البطارية وتفريغها، تسمى دورة، وعمر الدورة هو مؤشر مهم لقياس أداء عمر البطارية.

وفقًا لمعيار IEC، يجب تفريغ بطارية الليثيوم الخاصة بالهاتف المحمول إلى 3.0 فولت عند 0.2 درجة مئوية وشحنها إلى 4.2 فولت عند 1 درجة مئوية. يجب الحفاظ على سعة البطارية أعلى من 60% من السعة الأولية بعد 500 دورة. بمعنى آخر، عمر دورة بطارية الليثيوم هو 500 مرة.

وفقًا للمعيار الوطني، يجب أن تظل السعة عند 70% من السعة الأولية بعد 300 دورة.

إذا كانت سعة البطارية أقل من 60% من السعة الأولية، فسيتم اعتبارها ملغاة بشكل عام.

7. DOD: عمق المفرغ

يتم تعريفه على أنه النسبة المئوية للسعة المقدرة التي تطلقها البطارية.

بشكل عام، كلما كان عمق التفريغ أعمق، كان عمر البطارية أقصر.

8. قطع الجهد

ينقسم جهد الإنهاء إلى جهد إنهاء الشحن وجهد إنهاء التفريغ، أي الجهد الذي لا يمكن عنده الاستمرار في شحن البطارية أو تفريغها. إذا استمر شحن البطارية أو تفريغها عند جهد الإنهاء، فسوف يتأثر عمر البطارية بشكل كبير.

جهد إنهاء الشحن والتفريغ لبطارية الليثيوم هو 4.2 فولت و3.0 فولت على التوالي.

يمنع منعا باتا شحن أو تفريغ بطاريات الليثيوم بما يتجاوز جهد الإنهاء.

9. التفريغ الذاتي

إنه يشير إلى معدل الانخفاض في القدرة الدوريةng التخزين، معبرًا عنه كنسبة مئوية لانخفاض السعة لكل وحدة زمنية.

معدل التفريغ الذاتي لبطارية الليثيوم العامة هو 2% ~ 9% / شهر.

10.   SOC (حالة الشحن)

يشير هذا إلى النسبة المئوية للطاقة المتبقية في البطارية وإجمالي الطاقة التي يمكن تفريغها، 0 ~ 100%. تعكس طاقة البطارية المتبقية.

(5) قواعد تسمية بطارية ليثيوم أيون

مختلف بطارية الشركات المصنعة لدينا قواعد تسمية مختلفة، لكننا جميعًا نتبع معيارًا موحدًا للبطاريات العامة. يمكن معرفة حجم البطارية من اسم البطارية

وفقًا للمواصفة IEC61960، فإن قواعد البطاريات الأسطوانية والمربعة هي كما يلي:

1. بطارية اسطوانية مكونة من 3 حروف و 5 أرقام

ثلاثة أحرف، الحرف الأول يمثل مادة القطب السالب، أعني أن هناك أيون ليثيوم مدمج، L يمثل معدن الليثيوم أو قطب كهربائي من سبائك الليثيوم. يشير الحرف الثاني إلى مادة القطب الموجب، ويشير C إلى الكوبالت، ويشير n إلى النيكل، ويشير m إلى المنغنيز، ويشير V إلى الفاناديوم. الحرف الثالث هو R للأسطوانة. 5 أرقام، أول رقمين يمثلان القطر، وآخر 3 أرقام تمثل الارتفاع، جميعها بالملليمتر.

2. بطارية مربعة، 6 أرقام بعد 3 أحرف،

ثلاث رسائل. أول حرفين لهما نفس معنى الاسطوانة. والأخير هو p، وهو ما يعني مربع.

هناك ستة أرقام، أول رقمين يشيران إلى السُمك، والوسطى يشيران إلى العرض، والرقمان الأخيران يشيران إلى الارتفاع (الطول)، والوحدة أيضًا مم.

على سبيل المثال، ICR 18650 عبارة عن بطارية أسطوانية عالمية 18650 يبلغ قطرها 18 مم وارتفاعها 65 مم؛

ICP 053353 عبارة عن بطارية مربعة بسمك 5 مم وعرض 33 مم وارتفاع (طول) 53 مم.

(6) تكنولوجيا بطارية ليثيوم أيون

هناك بعض الاختلافات في تدفق العملية للبطاريات المختلفة والشركات المصنعة المختلفة، وسيكون تدفق العملية التفصيلي معقدًا للغاية. يتم إدراج تدفق العملية الأساسية وتدفق عملية تصنيع الخلايا وتدفق عملية تصنيع العبوات أدناه.

تتضمن عملية إنتاج الخلية الكهربائية بشكل أساسي تصنيع قطع الأعمدة، وتصنيع الخلايا الكهربائية، وتجميع البطارية، وحقن السائل، والتكوين الكيميائي، والفصل، وغيرها من العمليات.

من الخلط إلى اللف، يتم تصنيع الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية في ورش عمل مختلفة في نفس الوقت. بعد صنع الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة، تتم العمليات اللاحقة معًا. سيتم إدراج روابط ضمان الجودة المختلفة لفحص الجودة في المنتصف.

(7) التوصيل المتوازي للمجموعة والسلسلة لبطارية Li-ion

تختلف متطلبات البطاريات في مختلف المجالات. يحتوي النظام على بعض المتطلبات الخاصة للجهد والسعة والمقاومة الداخلية وما إلى ذلك. وفي كثير من الأحيان لا يمكن لبطارية واحدة تلبية المتطلبات، ويجب توصيلها على التوالي وبالتوازي لتزويد الطاقة بالخارج.

يتم تحديد أداء البطاريات المتصلة على التوالي وعلى التوازي من خلال أداء أسوأ بطارية، وهو ما يشار إليه غالبًا باسم "مبدأ البرميل". ولذلك، فإن النقطة الأكثر أهمية في تجميع البطاريات هي اتساق معلمات أداء البطارية.

على سبيل المثال، الكمبيوتر المحمول، والدراجة الكهربائية، والمركبة الكهربائية، ونظام تخزين الطاقة، وما إلى ذلك، كلها تحتاج إلى النظر في التوصيل المتسلسل والمتوازي للبطاريات لتشكيل حزمة بطارية.

جهد بطارية الكمبيوتر المحمول بشكل عام هو 11.1 فولت أو 14.8 فولت، بشكل رئيسي 18650 بطارية، لذلك فهو عمومًا سلسلتين و3 متوازية أو سلسلتين و4 متوازية.

يتكون جهاز Apple iPad من ثلاث بطاريات بوليمر متصلة بالتوازي، بسعة حوالي 25 وات في الساعة.

أنظمة الدراجات الكهربائية والدراجات النارية الكهربائية بشكل عام هي أنظمة 24 فولت، 36 فولت، 48 فولت، 60 فولت، و72 فولت. راجع الجدول التالي لمعرفة شروط المجموعة المحددة (تمثل s اتصالاً متسلسلاً).

تتمتع المركبات الكهربائية النقية والمركبات الكهربائية الهجينة (EV / PHEV) بجهد أعلى، حوالي 250 ~ 500 فولت، وسيكون الحد الأقصى للجهد أكثر من 150 عقدة متصلة على التوالي.

بالإضافة إلى ذلك، هناك العديد من الأشياء التي يجب مراعاتها عند تجميع البطاريات في توصيل متسلسل ومتوازي، مثل اتساق منصة جهد البطارية، واتساق سعة البطارية، واتساق المقاومة الداخلية للبطارية، وما إلى ذلك .

إن اتساق معلمات البطارية بعد التوصيل المتوازي المتسلسل له تأثير كبير على أداء البطارية وعمرها.

 8） Comparison of various power batteries

Power battery is mainly considered in terms of its application, mainly used in electric vehicles, electric bicycles, electric tools and so on.

The power battery is different from an ordinary battery, but it has some special characteristics

1. Series and parallel connection of batteries
2. The battery has a larger capacity
3. The discharge rate of the battery is high (hybrid power and electric tools)
4. The battery has higher safety requirements
5. The battery has a wide operating temperature range
6. The service life of the battery is long, generally 5-10 years

Due to the particularity of the power battery, there are some differences in its process and materials. According to the situation of positive electrode materials, it is mainly divided into lithium manganate (LiMn2O4), lithium ternary (linixcoymnzo2), lithium iron phosphate (LiFePO4), etc. its voltage platform, energy density, price, safety, etc. all have certain differences. See the comparison in the table below for details:

(lithium cobaltite is rarely used as power battery due to its poor stability and high price, which is listed and compared in the table below)

（9） Lithium battery model

In terms of electrical characteristics, the internal resistance of the battery is not completely equivalent to a resistor. For details, please refer to the foreign PNGV equivalent circuit model. As shown in the figure below.

The internal resistance of the battery is mainly composed of ohmic resistance R0 and polarization resistance R1, where C1 is the polarization capacitance.

There are two main test methods for battery internal resistance measurement in the industry. The DC discharge method and the AC injection method, which cannot be measured by the ordinary method of measuring resistance, but can only be measures by the special internal resistance measuring instrument.

The internal resistance of the battery is an important parameter reflecting the performance and life of the battery. When the cycle life of the battery approaches, the internal resistance of the battery increases sharply. The relationship between the number of cycles and the internal resistance is shown in the figure below.

10） Electrical characteristics and key parameters of Li-ion Battery

1. The charge-discharge curve of the battery

The charge and discharge curve of lithium battery refers to the relationship curve between battery capacity and the open-circuit voltage. According to the discharge curve, the battery’s power can be roughly estimated, as shown in the figure below.

The charge-discharge curve of lithium battery is not only related to the charging and discharging current but also to the temperature. As shown in the figure below.

2. Key parameters of the battery

Due to its own characteristics, lithium battery cannot be overcharged, over-discharge, over-current, or over temperature. Therefore, considering safety and battery life, the battery should be properly protected. There are several parameters that are often encountered, and they are listed in parallel. There is little difference in voltage between different manufacturers. However, there will be some differences between batteries with different operating temperatures, different discharge rates or different manufacturers.

11） Li-ion Battery protection and management requirements and systems

Due to the characteristics of lithium batteries, it is necessary to add a battery protection board (PCM) or a battery management system (BMS). Batteries without a protection board or management system are prohibited to use, and there will be huge safety risks. Safety is always the first priority for battery systems.

If the battery is not well protected or managed, there may be a risk of a shortened life, damage, or explosion.

The PCM (power circuit module) is mainly used in consumer products such as mobile phones and notebooks.

Battery management system (BMS) is mainly used in power batteries, such as electric vehicles, electric bicycles, energy storage, and other large-scale systems.

The main functions of PCM include OVP, UVP, OTP, OCP, etc. In case of any abnormality, the system will cut off automatically to ensure the safety of the system.

The battery protection system technology is very mature, there are many related board factories, mainly concentrated in South China. And there are special IC manufacturers providing special lithium battery protection chips. This piece is relatively mature, and there are many mature protection IC chips in China.

In addition to the basic protection functions of the protection system, the main functions of the battery management system (BMS) include battery voltage, temperature, and current measurement, energy balance, SOC calculation and display, abnormal alarm, charge and discharge management, communication, etc. Some BMS systems also integrate heat management, battery heating, battery health status (soh) analysis, insulation resistance measurement, etc.

Introduction and analysis of BMS function:

1. Battery protection is similar to PCM, which includes overcharge, over-discharge, over-temperature, over current, and short circuit protection. Like ordinary lithium manganese battery and ternary lithium battery, once the voltage of any battery exceeds 4.2V or the voltage of any battery falls lower than 3.0V, the system will automatically cut off the charging or discharging circuit. If the temperature of the battery exceeds the working temperature of the battery or the current is greater than the discharge current of the battery, the system will automatically cut off the current path to ensure the safety of the battery and the system.
2. Energy balance of the whole battery pack after working for a certain period of time will show great differences that could be, due to having many batteries in series, due to the inconsistency of the cell itself, the inconsistency of working temperature or other reasons., This has a great impact on the life of the battery and the use of the system. Energy balance is to make up for the differences between individual cells to do some active or passive charge or discharge management to ensure battery consistency and prolong battery life.

There are two kinds of methods in the industry: passive equalization and active equalization. Passive equalization is mainly to balance the amount of power that is consumed by resistance. The active equalization is mainly to transfer the power of batteries with more power to less powerful batteries through capacitance, inductance or transformer. The comparison of passive and active equalization is shown in the table below.

Because the active equilibrium system is relatively complex and the cost is relatively high, the mainstream is still passive equilibrium.

3. SOC calculation, battery power calculation is a very important part of BMS, many systems need to know the remaining power more accurately. Due to the development of technology, there are many methods for SoC calculation. If the accuracy requirements are not high, the residual power can be judged according to the battery voltage. The main and accurate methods are the current integration method (also called ah method), q = ∫ I DT, internal resistance method, neural network method, Kalman filter method, etc. The current mainstream in the industry is still the current scoring method.
4. Communication. Different systems have different requirements for communication interfaces. The mainstream communication interfaces are SPI, I2C, can, RS485, etc. The automobile and energy storage systems are mainly can and RS485.

Due to the insufficient competition and the complexity of the BMS system, there are relatively few system manufacturers. The related chip manufacturers are mainly European and American manufacturers, and there are a few large companies in China as well. There are many opportunities in the future.

I hope that I can send an email to communicate with you about the technology, products, and manufacturers in BMS.

（12） Li-ion Battery charging requirements and systems

The mainstream charging method of lithium battery is constant current and constant voltage (CC / CV): constant current – constant voltage. The constant current if charged first and then the constant voltage is charged after reaching a certain potential.. A good charger can also trickle according to the battery voltage state. Some systems also add pulse charging mode in the back and set the end of charging according to the time.

General chargers integrate functions such as current limiting, voltage limiting, overvoltage protection, overcurrent protection, overtemperature protection, and anti-reverse connection. The specific charging system is shown in the figure below.

In addition, the charger charging is usually combined with PCM or BMS to do energy balance in the constant voltage charging stage.

For an ordinary lithium cobalt oxide battery, if the battery voltage is lower than 3.0V, the charger will start trickle charging (about 0.1C) to avoid damage to the battery. When the battery voltage is charged to 3.0V, it is changed to constant current charging (about 1C, the current depends on the system). It is detected that the battery voltage is converted to constant voltage charging when the battery voltage reaches 4.1V. When the battery current drops to about 0.1C, the charging is completed, and the charging system and the charging circuit are closed. The charging curve is shown in the figure below.

According to the different power, the charger adopts different control technology. The linear power supply is the main scheme for low power, and the switching power supply is the main scheme for high power. Charger technology has been quite mature, charger performance and efficiency are basically able to reach a relatively good level. There are many related manufacturers. The main technologies involved in the charger are mainly power supply technology and battery technology. The related manufacturers have also done power supply manufacturing before.

（13） Application fields of lithium batteries

Batteries are mainly used in consumer products, digital products, power products, medical and security.