(1) Composición de la batería de iones de litio

La batería de iones de litio se compone principalmente de dos partes: una celda de batería y una placa de protección PCM (la batería de energía generalmente se denomina sistema de gestión de batería BMS). El Celda de batería de iones de litio es el corazón de la batería de iones de litio y el sistema de gestión es equivalente al cerebro de una batería de iones de litio.

El núcleo se compone principalmente de material de electrodo positivo, material de electrodo negativo, un electrolito, un diafragma y una carcasa. La placa de protección se compone principalmente de un chip de protección (o chip de gestión), un tubo MOS, resistencia, capacitancia y una placa PCB.

(2) Ventajas y desventajas de la batería de iones de litio

La batería de iones de litio tiene muchas ventajas, como una plataforma de alto voltaje, alta densidad de energía (ligera, pequeño volumen), larga vida útil y protección ambiental.

La desventaja de la batería de litio es que el precio es relativamente alto, el rango de temperatura es relativamente estrecho y existen ciertos riesgos de seguridad (es necesario agregar un sistema de protección).

(3) Clasificación de baterías de iones de litio

Las baterías de litio se pueden dividir en dos categorías: baterías desechables no recargables y baterías recargables (también conocidas como batería).

Baterías no recargables como baterías de dióxido de litio y manganeso, baterías de sulfimida de litio.

Las baterías recargables se pueden dividir en las siguientes categorías según las diferentes situaciones.

1. Según la apariencia: batería de litio cuadrada (como la batería de un teléfono móvil normal) y batería de litio cilíndrica (como la 18650 de las herramientas eléctricas);
2. Según los materiales subcontratados: batería de litio con carcasa de aluminio, batería de litio con carcasa de acero y batería de bolsa blanda.
3. Según los materiales del cátodo, ácido litio cobáltico (LiCoO2), manganato de litio (LiMn2O4), litio ternario (linixcoymnzo2) y fosfato de litio y hierro (LiFePO4);
4. Según el estado del electrolito: batería de iones de litio (LIB) y batería de polímero (PLB);
5. Según uso: batería general y batería de potencia.
6. Según las características de rendimiento: batería de alta capacidad, batería de alta velocidad, batería de alta temperatura, batería de baja temperatura, etc.

(4) Explicación de términos comunes.

1. Capacidad

Se refiere a la cantidad de electricidad que se puede obtener de una batería de litio en determinadas condiciones de descarga.

Sabemos en física de la escuela secundaria que la fórmula de la cantidad eléctrica es q = I * t, la unidad es Coulomb y la unidad de capacidad de la batería se especifica como Ah (amperios-hora) o mAh (miliamperios-hora). Esto significa que una batería de 1Ah se puede descargar durante 1 hora con una corriente de 1A cuando está completamente cargada.

En el pasado, la batería de los teléfonos móviles antiguos de Nokia (como el bl-5c) era generalmente de 500 mah. Ahora, la batería actual de un teléfono inteligente es de 800-1900mah, la batería de la bicicleta eléctrica es generalmente de 10-20ah y la batería de los vehículos eléctricos es generalmente de 20-200ah.

2. Tasa de carga/tasa de descarga

Indica cuánta corriente se utiliza para cargar y descargar. Generalmente se calcula por el múltiplo de la capacidad nominal de la batería, que generalmente se denomina “varios C”.

Para una batería con una capacidad de 1500mah, se especifica 1c = 1500mah. Si se descarga a 2c, significa descargar a una corriente de 3000ma. Cargar y descargar a 0,1c significa que se está cargando y descargando a una corriente de 150 mA.

3. Voltaje (OCV: voltaje de circuito abierto)

El voltaje de la batería generalmente se refiere al voltaje nominal de la batería de litio (también conocido como voltaje nominal). El voltaje nominal de una batería de litio común es generalmente de 3,7 V; también llamamos a su plataforma de voltaje 3,7 V. Cuando decimos voltaje, generalmente nos referimos al voltaje de circuito abierto de la batería.

Cuando la capacidad de la batería es 20-80%, el voltaje se concentra alrededor de 3,7 V (3,6-3,9 v), cuando la capacidad es demasiado alta o demasiado baja, el voltaje cambia mucho.

4. Potencia energética

Cuando la batería se descarga según un determinado estándar, la energía (E) que la batería puede descargar es Wh (vatios-hora) o kWh (kilovatios-hora), y 1kwh = 1 kilovatio-hora.

El libro de física tiene un concepto básico, e = u * I * t, que también es igual al voltaje de la batería multiplicado por la capacidad de la batería.

La fórmula de potencia es p = u * I = E / T, que representa la energía que se puede liberar por unidad de tiempo. La unidad es w (W) o kW (kW).

Para una batería con una capacidad de 1500mah, el voltaje nominal es generalmente de 3,7V, por lo que la energía correspondiente es de 5,55wh.

5. Resistencia

Dado que la carga y descarga no pueden ser equivalentes a una fuente de alimentación ideal debido a cierta resistencia interna. La resistencia interna consume energía. Cuanto menor sea la resistencia interna, mejor será.

La unidad de resistencia interna de la batería es miliohmio (m Ω).

Generalmente, la resistencia interna de una batería consta de una resistencia interna óhmica y una resistencia interna polarizada. El tamaño de la resistencia interna se ve afectado por el material, el proceso de fabricación y la estructura de la batería.

6. Ciclo de vida

Una vez que la batería se carga y descarga, se denomina ciclo y el ciclo de vida es un indicador importante para medir el rendimiento de la vida útil de la batería.

Según el estándar IEC, la batería de litio del teléfono móvil debe descargarse a 3,0 V a 0,2 C y cargarse a 4,2 V a 1 C. La capacidad de la batería se mantendrá por encima de 60% de la capacidad inicial después de 500 ciclos. En otras palabras, el ciclo de vida de la batería de litio es 500 veces mayor.

Según la norma nacional, la capacidad se mantendrá en 70% de la capacidad inicial después de 300 ciclos.

Si la capacidad de la batería es inferior a 60% de la capacidad inicial, generalmente se considera desechada.

7. DOD: profundidad del descargador

Se define como el porcentaje de la capacidad nominal liberada por la batería.

Generalmente, cuanto más profunda sea la descarga, más corta será la duración de la batería.

8. Cortar voltaje

El voltaje de terminación se divide en voltaje de terminación de carga y voltaje de terminación de descarga, es decir, el voltaje al que la batería no puede continuar cargándose ni descargándose. Si la batería continúa cargándose o descargándose al voltaje de terminación, la vida útil de la batería se verá muy afectada.

El voltaje de terminación de carga y descarga de la batería de litio es de 4,2 V y 3,0 V respectivamente.

Está estrictamente prohibido cargar o descargar baterías de litio más allá del voltaje de terminación.

9. Autodescarga

Se refiere a la tasa de disminución de la capacidad durantealmacenamiento, expresado como el porcentaje de disminución de la capacidad por unidad de tiempo.

La tasa de autodescarga de la batería de litio general es de 2% ~ 9%/mes.

10.   SOC (estado de carga)

Esto se refiere al porcentaje de energía restante de la batería y la energía total que se puede descargar, 0 ~ 100%. Refleja la energía restante de la batería.

(5) Reglas de nomenclatura de baterías de iones de litio

Diferente batería fabricantes Tenemos diferentes reglas de nomenclatura, pero todos seguimos un estándar unificado para baterías generales. El tamaño de la batería se puede conocer según el nombre de la batería.

Según IEC61960, las reglas para baterías cilíndricas y cuadradas son las siguientes:

1. Pila cilíndrica, 3 letras seguidas de 5 números,

Tres letras, la primera letra representa el material del electrodo negativo, I significa que hay un ion de litio incorporado, L representa el electrodo de litio metálico o aleación de litio. La segunda letra indica el material del electrodo positivo, C indica cobalto, n indica níquel, m indica manganeso y V indica vanadio. La tercera letra es R para un cilindro. 5 dígitos, los primeros 2 dígitos representan el diámetro, los últimos 3 dígitos representan la altura, todo en mm.

2. Pila cuadrada, 6 dígitos después de 3 letras,

Tres cartas. Las dos primeras letras tienen el mismo significado que un cilindro. El último es p, que significa cuadrado.

Hay seis dígitos, los dos primeros dígitos indican el grosor, el medio indica el ancho, los dos últimos indican la altura (largo), la unidad también es mm.

Por ejemplo, ICR 18650 es una batería cilíndrica universal 18650 con un diámetro de 18 mm y una altura de 65 mm;

ICP 053353 es una batería cuadrada con un espesor de 5 mm, un ancho de 33 mm y una altura (longitud) de 53 mm.

(6) Tecnología de batería de iones de litio

Existen algunas diferencias en el flujo del proceso de diferentes baterías y diferentes fabricantes, y el flujo del proceso detallado será muy complejo. A continuación se enumeran el flujo del proceso básico, el flujo del proceso de fabricación de células y el flujo del proceso de fabricación de paquetes.

El proceso de producción de una celda eléctrica incluye principalmente la fabricación de piezas polares, la fabricación de celdas eléctricas, el ensamblaje de baterías, la inyección de líquido, la formación química, la separación y otros procesos.

Desde el procesamiento por lotes hasta el bobinado, los electrodos positivos y negativos se fabrican en diferentes talleres al mismo tiempo. Una vez fabricados los electrodos positivo y negativo, los procesos posteriores se realizan juntos. En el medio se insertarán diferentes enlaces de control de calidad de inspección de calidad.

(7) Conexión en grupo y en serie en paralelo de la batería de iones de litio

En diferentes campos, los requisitos para las baterías son diferentes. El sistema tiene algunos requisitos especiales de voltaje, capacidad, resistencia interna, etc. A menudo, una sola batería no puede cumplir con los requisitos, debe conectarse en serie y en paralelo para suministrar energía al exterior.

El rendimiento de las baterías en serie y en paralelo está determinado por el rendimiento de la peor batería, lo que a menudo se denomina "principio del barril". Por lo tanto, el punto más importante al agrupar baterías es la coherencia de los parámetros de rendimiento de la batería.

Por ejemplo, una computadora portátil, una bicicleta eléctrica, un vehículo eléctrico, un sistema de almacenamiento de energía, etc., deben considerar la conexión en serie y en paralelo de las baterías para formar un paquete de baterías.

El voltaje de la batería del portátil es generalmente de 11,1 v o 14,8 V, principalmente baterías 18650, por lo que generalmente es 2 series y 3 paralelos o 2 series y 4 paralelos.

El iPad de Apple consta de tres baterías de polímero conectadas en paralelo, con una capacidad de aproximadamente 25 Wh.

Los sistemas de bicicletas y motocicletas eléctricas son generalmente sistemas de 24 V, 36 V, 48 V, 60 V y 72 V. Consulte la siguiente tabla para conocer las condiciones de grupo específicas (s representa una conexión en serie).

Los vehículos eléctricos puros y los vehículos eléctricos híbridos (EV/PHEV) tienen un voltaje más alto, alrededor de 250 ~ 500 V, y el voltaje máximo será de más de 150 nudos conectados en serie.

Además, hay muchas cosas a considerar al agrupar baterías en una conexión serie-paralelo, como la consistencia de la plataforma de voltaje de la batería, la consistencia de la capacidad de la batería, la consistencia de la resistencia interna de la batería, etc. .

La coherencia de los parámetros de la batería después de una conexión en serie-paralelo tiene una gran influencia en el rendimiento y la vida útil de la batería.

 8） Comparación de varias baterías eléctricas

La batería eléctrica se considera principalmente en términos de su aplicación, y se utiliza principalmente en vehículos eléctricos, bicicletas eléctricas, herramientas eléctricas, etc.

La batería de potencia es diferente de una batería normal, pero tiene algunas características especiales.

1. Conexión en serie y paralelo de baterías.
2. La batería tiene mayor capacidad.
3. La tasa de descarga de la batería es alta (energía híbrida y herramientas eléctricas)
4. La batería tiene mayores requisitos de seguridad.
5. La batería tiene un amplio rango de temperatura de funcionamiento.
6. La vida útil de la batería es larga, generalmente de 5 a 10 años.

Debido a la particularidad de la batería de alimentación, existen algunas diferencias en su proceso y materiales. Según la situación de los materiales de los electrodos positivos, se divide principalmente en manganato de litio (LiMn2O4), litio ternario (linixcoymnzo2), fosfato de litio y hierro (LiFePO4), etc., su plataforma de voltaje, densidad de energía, precio, seguridad, etc. ciertas diferencias. Consulte la comparación en la siguiente tabla para obtener más detalles:

(La cobaltita de litio rara vez se utiliza como batería de energía debido a su escasa estabilidad y alto precio, que se enumera y compara en la siguiente tabla)

(9) Modelo de batería de litio

En términos de características eléctricas, la resistencia interna de la batería no es completamente equivalente a una resistencia. Para obtener más información, consulte el modelo de circuito equivalente PNGV extranjero. Como se muestra en la siguiente figura.

La resistencia interna de la batería se compone principalmente de la resistencia óhmica R0 y la resistencia de polarización R1, donde C1 es la capacitancia de polarización.

Existen dos métodos de prueba principales para la medición de la resistencia interna de la batería en la industria. El método de descarga de CC y el método de inyección de CA, que no se pueden medir con el método ordinario de medición de resistencia, sino que solo se pueden medir con un instrumento de medición de resistencia interna especial.

La resistencia interna de la batería es un parámetro importante que refleja el rendimiento y la vida útil de la batería. Cuando se acerca el ciclo de vida de la batería, la resistencia interna de la batería aumenta drásticamente. La relación entre el número de ciclos y la resistencia interna se muestra en la siguiente figura.

10） Características eléctricas y parámetros clave de la batería de iones de litio.

1. La curva de carga-descarga de la batería.

La curva de carga y descarga de una batería de litio se refiere a la curva de relación entre la capacidad de la batería y el voltaje de circuito abierto. Según la curva de descarga, la potencia de la batería se puede estimar de forma aproximada, como se muestra en la siguiente figura.

La curva de carga-descarga de una batería de litio no solo está relacionada con la corriente de carga y descarga sino también con la temperatura. Como se muestra en la siguiente figura.

2. Parámetros clave de la batería.

Debido a sus propias características, la batería de litio no puede sufrir sobrecargas, sobredescargas, sobrecorrientes ni sobretemperaturas. Por lo tanto, teniendo en cuenta la seguridad y la duración de la batería, ésta debe protegerse adecuadamente. Hay varios parámetros que se encuentran con frecuencia y se enumeran en paralelo. Hay poca diferencia de voltaje entre diferentes fabricantes. Sin embargo, habrá algunas diferencias entre baterías con diferentes temperaturas de funcionamiento, diferentes velocidades de descarga o diferentes fabricantes.

11） Requisitos y sistemas de gestión y protección de baterías de iones de litio

Debido a las características de las baterías de litio, es necesario agregar una placa de protección de batería (PCM) o un sistema de gestión de batería (BMS). Está prohibido el uso de baterías sin un tablero de protección o un sistema de gestión, y habrá enormes riesgos de seguridad. La seguridad es siempre la primera prioridad para los sistemas de baterías.

Si la batería no está bien protegida o administrada, puede existir riesgo de que se acorte su vida útil, se dañe o explote.

El PCM (módulo de circuito de alimentación) se utiliza principalmente en productos de consumo como teléfonos móviles y portátiles.

El sistema de gestión de baterías (BMS) se utiliza principalmente en baterías eléctricas, como vehículos eléctricos, bicicletas eléctricas, almacenamiento de energía y otros sistemas a gran escala.

Las funciones principales de PCM incluyen OVP, UVP, OTP, OCP, etc. En caso de cualquier anomalía, el sistema se cortará automáticamente para garantizar la seguridad del sistema.

La tecnología del sistema de protección de baterías es muy madura y hay muchas fábricas de placas relacionadas, concentradas principalmente en el sur de China. Y hay fabricantes de circuitos integrados especiales que ofrecen chips especiales de protección para baterías de litio. Esta pieza es relativamente madura y hay muchos chips CI de protección maduros en China.

Además de las funciones de protección básicas del sistema de protección, las funciones principales del sistema de gestión de baterías (BMS) incluyen medición de voltaje, temperatura y corriente de la batería, balance de energía, cálculo y visualización de SOC, alarma anormal, gestión de carga y descarga, comunicación. , etc. Algunos sistemas BMS también integran gestión del calor, calentamiento de la batería, análisis del estado de salud de la batería (soh), medición de la resistencia del aislamiento, etc.

Introducción y análisis de la función BMS:

1. La protección de la batería es similar al PCM, que incluye protección contra sobrecarga, sobredescarga, sobretemperatura, sobrecorriente y cortocircuito. Al igual que las baterías de litio y manganeso ordinarias y las baterías de litio ternarias, una vez que el voltaje de cualquier batería supera los 4,2 V o el voltaje de cualquier batería cae por debajo de 3,0 V, el sistema cortará automáticamente el circuito de carga o descarga. Si la temperatura de la batería excede la temperatura de funcionamiento de la batería o la corriente es mayor que la corriente de descarga de la batería, el sistema cortará automáticamente la ruta actual para garantizar la seguridad de la batería y el sistema.
2. El balance energético de todo el paquete de baterías después de funcionar durante un cierto período de tiempo mostrará grandes diferencias que podrían deberse a tener muchas baterías en serie, a la inconsistencia de la propia celda, a la inconsistencia de la temperatura de trabajo u otras razones. Esto tiene un gran impacto en la vida útil de la batería y el uso del sistema. El equilibrio energético sirve para compensar las diferencias entre las celdas individuales para realizar una gestión de carga o descarga activa o pasiva para garantizar la consistencia de la batería y prolongar su vida útil.

Hay dos tipos de métodos en la industria: ecualización pasiva y ecualización activa. La ecualización pasiva sirve principalmente para equilibrar la cantidad de potencia consumida por la resistencia. La ecualización activa consiste principalmente en transferir la potencia de las baterías con más potencia a baterías menos potentes mediante capacitancia, inductancia o transformador. La comparación de la ecualización pasiva y activa se muestra en la siguiente tabla.

Debido a que el sistema de equilibrio activo es relativamente complejo y el costo es relativamente alto, la corriente principal sigue siendo el equilibrio pasivo.

3. El cálculo de SOC y el cálculo de la energía de la batería son una parte muy importante del BMS; muchos sistemas necesitan conocer la energía restante con mayor precisión. Debido al desarrollo de la tecnología, existen muchos métodos para el cálculo de SoC. Si los requisitos de precisión no son altos, la potencia residual se puede juzgar según el voltaje de la batería. Los métodos principales y precisos son el método de integración actual (también llamado método ah), q = ∫ I DT, método de resistencia interna, método de red neuronal, método de filtro de Kalman, etc. La corriente principal actual en la industria sigue siendo el método de puntuación actual.
4. Comunicación. Los diferentes sistemas tienen diferentes requisitos para las interfaces de comunicación. Las principales interfaces de comunicación son SPI, I2C, can, RS485, etc. Los sistemas de almacenamiento de energía y automóviles son principalmente can y RS485.

Debido a la falta de competencia y a la complejidad del sistema BMS, existen relativamente pocos fabricantes de sistemas. Los fabricantes de chips relacionados son principalmente fabricantes europeos y americanos, y también hay algunas grandes empresas en China. Hay muchas oportunidades en el futuro.

Espero poder enviar un correo electrónico para comunicarme con usted sobre la tecnología, los productos y los fabricantes de BMS.

(12) Requisitos y sistemas de carga de baterías de iones de litio

El método de carga principal de la batería de litio es corriente constante y voltaje constante (CC / CV): corriente constante – voltaje constante. La corriente constante se carga primero y luego el voltaje constante se carga después de alcanzar un cierto potencial. Un buen cargador también puede funcionar lentamente según el estado del voltaje de la batería. Algunos sistemas también añaden el modo de carga por impulsos en la parte trasera y establecen el final de la carga según la hora.

Los cargadores generales integran funciones como limitación de corriente, limitación de voltaje, protección contra sobretensión, protección contra sobrecorriente, protección contra sobretemperatura y conexión anti-reversa. El sistema de carga específico se muestra en la siguiente figura.

Además, la carga del cargador generalmente se combina con PCM o BMS para realizar el equilibrio energético en la etapa de carga de voltaje constante.

Para una batería normal de óxido de cobalto y litio, si el voltaje de la batería es inferior a 3,0 V, el cargador comenzará a realizar una carga lenta (aproximadamente 0,1 C) para evitar daños a la batería. Cuando el voltaje de la batería se carga a 3,0 V, se cambia a carga de corriente constante (aproximadamente 1 C, la corriente depende del sistema). Se detecta que el voltaje de la batería se convierte en carga de voltaje constante cuando el voltaje de la batería alcanza los 4,1 V. Cuando la corriente de la batería cae a aproximadamente 0,1 C, la carga se completa y el sistema de carga y el circuito de carga se cierran. La curva de carga se muestra en la siguiente figura.

Según la potencia diferente, el cargador adopta una tecnología de control diferente. La fuente de alimentación lineal es el esquema principal para baja potencia y la fuente de alimentación conmutada es el esquema principal para alta potencia. La tecnología del cargador ha sido bastante madura, el rendimiento y la eficiencia del cargador básicamente pueden alcanzar un nivel relativamente bueno. Hay muchos fabricantes relacionados. Las principales tecnologías involucradas en el cargador son principalmente la tecnología de suministro de energía y la tecnología de baterías. Los fabricantes relacionados también han fabricado fuentes de alimentación anteriormente.

(13) Campos de aplicación de las baterías de litio.

Las baterías se utilizan principalmente en productos de consumo, productos digitales, productos eléctricos, médicos y de seguridad.