（1） Composition de la batterie Li-ion

La batterie Li-ion est principalement composée de deux parties : une cellule de batterie et une carte de protection PCM (la batterie d'alimentation est généralement appelée système de gestion de batterie BMS). Le Cellule de batterie Li-ion est le cœur de la batterie Li-ion, et le système de gestion est équivalent au cerveau d'une batterie Li-ion.

Le noyau est principalement composé d'un matériau d'électrode positive, d'un matériau d'électrode négative, d'un électrolyte, d'un diaphragme et d'une coque. La plaque de protection est principalement composée d'une puce de protection (ou puce de gestion), d'un tube MOS, d'une résistance, d'une capacité et d'une carte PCB.

（2） Avantages et inconvénients de la batterie Li-ion

La batterie Li-ion présente de nombreux avantages, tels qu'une plate-forme haute tension, une densité énergétique élevée (légère, petit volume), une longue durée de vie et une protection de l'environnement.

L'inconvénient de la batterie au lithium est que son prix est relativement élevé, sa plage de température est relativement étroite et il existe certains risques de sécurité (nécessité d'ajouter un système de protection).

（3）Classification des batteries Li-ion

Les piles au lithium peuvent être divisées en deux catégories : les piles jetables non rechargeables et les piles rechargeables (également appelées piles).

Piles non rechargeables telles que les piles au lithium-dioxyde de manganèse, les piles au lithium-sulfimure.

Les piles rechargeables peuvent être divisées dans les catégories suivantes selon différentes situations.

1. Selon l'apparence : batterie au lithium carrée (telle qu'une batterie de téléphone portable ordinaire) et batterie au lithium cylindrique (telle que 18650 d'outils électriques) ;
2. Selon les matériaux d'externalisation : batterie au lithium à coque en aluminium, batterie au lithium à coque en acier et batterie à sac souple.
3. Selon les matériaux cathodiques, l'acide lithium cobaltique (LiCoO2), le manganate de lithium (LiMn2O4), le lithium ternaire (linixcoymnzo2) et le phosphate de fer lithium (LiFePO4) ;
4. Selon l'état de l'électrolyte : batterie lithium-ion (LIB) et batterie polymère (PLB) ;
5. Selon utilisation : batterie générale et batterie d'alimentation.
6. Selon les caractéristiques de performance : batterie haute capacité, batterie à haut débit, batterie haute température, batterie basse température, etc.

（4） Explication des termes courants

1. Capacité

Il fait référence à la quantité d'électricité qui peut être obtenue à partir d'une batterie au lithium dans certaines conditions de décharge.

Nous savons en physique au lycée que la formule de la quantité électrique est q = I * t, l'unité est Coulomb et l'unité de capacité de la batterie est spécifiée comme Ah (ampère-heure) ou mAh (milliampère-heure). Cela signifie qu'une batterie de 1 Ah peut être déchargée pendant 1 heure avec un courant de 1 A lorsqu'elle est complètement chargée.

Dans le passé, la batterie des anciens téléphones mobiles de Nokia (comme le bl-5c) était généralement de 500 mah. Désormais, la batterie actuelle du smartphone est de 800 à 1 900 mAh, la batterie du vélo électrique est généralement de 10 à 20 Ah et la batterie des véhicules électriques est généralement de 20 à 200 Ah.

2. Taux de charge/taux de décharge

Il indique la quantité de courant utilisée pour la charge et la décharge. Elle est généralement calculée par le multiple de la capacité nominale de la batterie, que l'on appelle généralement « plusieurs C ».

Pour une batterie d’une capacité de 1500mah, 1c = 1500mah est précisé. Si vous déchargez à 2c, cela signifie décharger à un courant de 3000 mA. Charger et décharger à 0,1c signifie qu'il se charge et se décharge à un courant de 150 mA.

3. Tension (OCV : tension en circuit ouvert)

La tension de la batterie fait généralement référence à la tension nominale de la batterie au lithium (également appelée tension nominale). La tension nominale d'une batterie au lithium ordinaire est généralement de 3,7 V, nous appelons également sa plate-forme de tension 3,7 V. Lorsque nous parlons de tension, nous entendons généralement la tension en circuit ouvert de la batterie.

Lorsque la capacité de la batterie est de 20-80%, la tension est concentrée autour de 3,7 V (3,6-3,9 V), lorsque la capacité est trop élevée ou trop faible, et la tension change considérablement.

4. Énergie/puissance

Lorsque la batterie est déchargée selon une certaine norme, l'énergie (E) que la batterie peut décharger est de Wh (wattheure) ou kWh (kilowattheure), et 1 kWh = 1 kilowattheure.

Le livre de physique a un concept de base, e = u * I * t, qui est également égal à la tension de la batterie multipliée par la capacité de la batterie.

La formule de la puissance est p = u * I = E / T, qui représente l'énergie qui peut être libérée par unité de temps. L'unité est w (W) ou kW (kW).

Pour une batterie d'une capacité de 1500mah, la tension nominale est généralement de 3,7V, donc l'énergie correspondante est de 5,55wh.

5. Résistance

Puisque la charge et la décharge ne peuvent pas être équivalentes à une alimentation idéale en raison d’une certaine résistance interne. La résistance interne consomme de l'énergie. Plus la résistance interne est petite, mieux c'est.

L'unité de résistance interne de la batterie est le milliohm (m Ω).

Généralement, la résistance interne d’une batterie est constituée d’une résistance interne ohmique et d’une résistance interne polarisée. La taille de la résistance interne dépend du matériau, du processus de fabrication et de la structure de la batterie.

6. Cycle de vie

Une fois que la batterie est chargée et déchargée, cela s’appelle un cycle, et la durée de vie du cycle est un indicateur important pour mesurer les performances de la durée de vie de la batterie.

Selon la norme CEI, la batterie au lithium du téléphone mobile doit être déchargée à 3,0 V à 0,2 C et chargée à 4,2 V à 1 C. La capacité de la batterie doit être maintenue au-dessus de 60% de la capacité initiale après 500 cycles. En d’autres termes, la durée de vie d’une batterie au lithium est 500 fois supérieure.

Selon la norme nationale, la capacité doit rester à 70% de la capacité initiale après 300 cycles.

Si la capacité de la batterie est inférieure à 60% de la capacité initiale, elle est généralement considérée comme mise au rebut.

7. DOD : profondeur de déchargement

Elle est définie comme le pourcentage de la capacité nominale libérée par la batterie.

Généralement, plus la profondeur de décharge est profonde, plus la durée de vie de la batterie est courte.

8. Tension de coupure

La tension de terminaison est divisée en tension de terminaison de charge et tension de terminaison de décharge, c'est-à-dire la tension à laquelle la batterie ne peut pas continuer à être chargée ou déchargée. Si la batterie continue à être chargée ou déchargée à la tension de terminaison, la durée de vie de la batterie sera grandement affectée.

La tension de terminaison de charge-décharge de la batterie au lithium est respectivement de 4,2 V et 3,0 V.

Il est strictement interdit de charger ou décharger des batteries au lithium au-delà de la tension de terminaison.

9. Auto-décharge

Il fait référence au taux de diminution de la capacité au coursng de stockage, exprimé en pourcentage de diminution de capacité par unité de temps.

Le taux d'autodécharge de la batterie au lithium générale est de 2% ~ 9%/mois.

10.   SOC (état de charge)

Il s'agit du pourcentage de puissance restante de la batterie et de la puissance totale pouvant être déchargée, 0 ~ 100%. Reflétez la puissance restante de la batterie.

（5） Règles de dénomination des batteries Li-ion

Différent batterie fabricants ont des règles de dénomination différentes, mais nous suivons tous une norme unifiée pour les batteries générales. La taille de la batterie peut être connue selon le nom de la batterie

Selon IEC61960, les règles pour les batteries cylindriques et carrées sont les suivantes :

1. Pile cylindrique, 3 lettres suivies de 5 chiffres,

Trois lettres, la première lettre représente le matériau de l'électrode négative, I signifie qu'il y a un lithium-ion intégré, L représente l'électrode au lithium métal ou en alliage de lithium. La deuxième lettre indique le matériau de l'électrode positive, C indique le cobalt, n indique le nickel, m indique le manganèse et V indique le vanadium. La troisième lettre est R pour un cylindre. 5 chiffres, les 2 premiers chiffres représentent le diamètre, les 3 derniers chiffres représentent la hauteur, le tout en mm.

2. Pile carrée, 6 chiffres après 3 lettres,

Trois lettres. Les deux premières lettres ont la même signification qu’un cylindre. Le dernier est p, qui signifie carré.

Il y a six chiffres, les deux premiers chiffres indiquent l'épaisseur, le milieu indique la largeur, les deux derniers indiquent la hauteur (longueur), l'unité est également le mm.

Par exemple, l'ICR 18650 est un accu cylindrique universel 18650 d'un diamètre de 18 mm et d'une hauteur de 65 mm ;

ICP 053353 est une batterie carrée d'une épaisseur de 5 mm, d'une largeur de 33 mm et d'une hauteur (longueur) de 53 mm.

（6） Technologie de batterie Li-ion

Il existe certaines différences dans le flux de processus selon les batteries et les différents fabricants, et le flux de processus détaillé sera très complexe. Le flux de processus de base, le flux de processus de fabrication de cellules et le flux de processus de fabrication de packs sont répertoriés ci-dessous.

Le processus de production d'une cellule électrique comprend principalement la fabrication de pièces polaires, la fabrication de cellules électriques, l'assemblage de batteries, l'injection de liquide, la formation chimique, la séparation et d'autres processus.

Du dosage au bobinage, les électrodes positives et négatives sont fabriquées simultanément dans différents ateliers. Une fois les électrodes positives et négatives réalisées, les processus suivants sont effectués ensemble. Différents liens d’assurance qualité d’inspection qualité seront insérés au milieu.

(7) Connexion en groupe et en série-parallèle de la batterie Li-ion

Dans différents domaines, les exigences relatives aux batteries sont différentes. Le système a des exigences particulières en matière de tension, de capacité, de résistance interne, etc. Souvent, une seule batterie ne peut pas répondre aux exigences, elle doit être connectée en série et en parallèle pour alimenter l'extérieur.

Les performances des batteries en série et en parallèle sont déterminées par les performances de la pire batterie, souvent appelée « principe du baril ». Par conséquent, le point le plus important du regroupement des batteries est la cohérence des paramètres de performances des batteries.

Par exemple, un ordinateur portable, un vélo électrique, un véhicule électrique, un système de stockage d'énergie, etc. doivent tous prendre en compte la connexion en série et en parallèle des batteries pour former un bloc de batteries.

La tension de la batterie de l'ordinateur portable est généralement de 11,1 V ou 14,8 V, principalement des batteries 18650, il s'agit donc généralement de 2 séries et 3 parallèles ou de 2 séries et 4 parallèles.

L'Apple iPad est constitué de trois batteries polymères connectées en parallèle, d'une capacité d'environ 25 Wh.

Les systèmes de vélos électriques et de motos électriques sont généralement des systèmes 24 V, 36 V, 48 V, 60 V et 72 V. Consultez le tableau suivant pour connaître les conditions de groupe spécifiques (s représente une connexion en série).

Les véhicules électriques purs et les véhicules électriques hybrides (EV/PHEV) ont une tension plus élevée, environ 250 ~ 500 V, et la tension maximale sera supérieure à 150 nœuds connectés en série.

De plus, il y a beaucoup de choses à considérer lors du regroupement de batteries dans une connexion série-parallèle, comme la cohérence de la plateforme de tension de la batterie, la cohérence de la capacité de la batterie, la cohérence de la résistance interne de la batterie, etc. .

La cohérence des paramètres de la batterie après une connexion série-parallèle a une grande influence sur les performances et la durée de vie de la batterie.

 8） Comparaison de différentes batteries électriques

La batterie électrique est principalement considérée en termes de son application, principalement utilisée dans les véhicules électriques, les vélos électriques, les outils électriques, etc.

La batterie d'alimentation est différente d'une batterie ordinaire, mais elle présente des caractéristiques particulières

1. Connexion série et parallèle des batteries
2. La batterie a une plus grande capacité
3. Le taux de décharge de la batterie est élevé (énergie hybride et outils électriques)
4. La batterie a des exigences de sécurité plus élevées
5. La batterie a une large plage de températures de fonctionnement
6. La durée de vie de la batterie est longue, généralement de 5 à 10 ans

En raison de la particularité de la batterie de puissance, il existe quelques différences dans son processus et ses matériaux. Selon la situation des matériaux d'électrode positive, il est principalement divisé en manganate de lithium (LiMn2O4), lithium ternaire (linixcoymnzo2), lithium fer phosphate (LiFePO4), etc. sa plate-forme de tension, sa densité énergétique, son prix, sa sécurité, etc. certaines différences. Voir la comparaison dans le tableau ci-dessous pour plus de détails :

(Le cobaltite de lithium est rarement utilisé comme batterie d'alimentation en raison de sa faible stabilité et de son prix élevé, qui sont répertoriés et comparés dans le tableau ci-dessous)

（9） Modèle de batterie au lithium

En termes de caractéristiques électriques, la résistance interne de la batterie n’est pas totalement équivalente à une résistance. Pour plus de détails, veuillez vous référer au modèle de circuit équivalent PNGV étranger. Comme le montre la figure ci-dessous.

La résistance interne de la batterie est principalement composée de la résistance ohmique R0 et de la résistance de polarisation R1, où C1 est la capacité de polarisation.

Il existe deux méthodes de test principales pour la mesure de la résistance interne des batteries dans l'industrie. La méthode de décharge CC et la méthode d'injection CA, qui ne peuvent pas être mesurées par la méthode ordinaire de mesure de la résistance, mais ne peuvent être mesurées que par l'instrument de mesure de résistance interne spécial.

La résistance interne de la batterie est un paramètre important reflétant les performances et la durée de vie de la batterie. Lorsque la durée de vie de la batterie approche, la résistance interne de la batterie augmente fortement. La relation entre le nombre de cycles et la résistance interne est illustrée dans la figure ci-dessous.

10） Caractéristiques électriques et paramètres clés de la batterie Li-ion

1. La courbe charge-décharge de la batterie

La courbe de charge et de décharge de la batterie au lithium fait référence à la courbe de relation entre la capacité de la batterie et la tension en circuit ouvert. Selon la courbe de décharge, la puissance de la batterie peut être estimée approximativement, comme le montre la figure ci-dessous.

La courbe de charge-décharge d’une batterie au lithium n’est pas seulement liée au courant de charge et de décharge mais également à la température. Comme le montre la figure ci-dessous.

2. Paramètres clés de la batterie

En raison de ses propres caractéristiques, la batterie au lithium ne peut pas être surchargée, déchargée, surintensité ou surchauffée. Par conséquent, compte tenu de la sécurité et de la durée de vie de la batterie, celle-ci doit être correctement protégée. Plusieurs paramètres sont souvent rencontrés et sont répertoriés en parallèle. Il y a peu de différence de tension entre les différents fabricants. Cependant, il existe certaines différences entre les batteries ayant des températures de fonctionnement différentes, des taux de décharge différents ou des fabricants différents.

11） Exigences et systèmes de protection et de gestion des batteries Li-ion

En raison des caractéristiques des batteries au lithium, il est nécessaire d'ajouter une carte de protection de batterie (PCM) ou un système de gestion de batterie (BMS). L'utilisation de batteries sans panneau de protection ou système de gestion est interdite et entraînera d'énormes risques pour la sécurité. La sécurité est toujours la première priorité pour les systèmes de batteries.

Si la batterie n'est pas bien protégée ou gérée, il peut y avoir un risque de durée de vie réduite, de dommages ou d'explosion.

Le PCM (module de circuit d'alimentation) est principalement utilisé dans les produits grand public tels que les téléphones mobiles et les ordinateurs portables.

Le système de gestion de batterie (BMS) est principalement utilisé dans les batteries de puissance, telles que les véhicules électriques, les vélos électriques, le stockage d'énergie et d'autres systèmes à grande échelle.

Les principales fonctions du PCM incluent OVP, UVP, OTP, OCP, etc. En cas d'anomalie, le système s'arrêtera automatiquement pour assurer la sécurité du système.

La technologie du système de protection des batteries est très mature, il existe de nombreuses usines de cartes connexes, principalement concentrées dans le sud de la Chine. Et il existe des fabricants de circuits intégrés spéciaux proposant des puces spéciales de protection des batteries au lithium. Cette pièce est relativement mature et il existe de nombreuses puces IC de protection matures en Chine.

En plus des fonctions de protection de base du système de protection, les principales fonctions du système de gestion de batterie (BMS) comprennent la mesure de la tension, de la température et du courant de la batterie, le bilan énergétique, le calcul et l'affichage du SOC, l'alarme anormale, la gestion de la charge et de la décharge, la communication. , etc. Certains systèmes BMS intègrent également la gestion de la chaleur, le chauffage de la batterie, l'analyse de l'état de santé de la batterie (soh), la mesure de la résistance d'isolement, etc.

Introduction et analyse de la fonction BMS :

1. La protection de la batterie est similaire au PCM, qui comprend une protection contre les surcharges, les décharges excessives, les surchauffes, les surintensités et les courts-circuits. Comme la batterie au lithium-manganèse ordinaire et la batterie au lithium ternaire, une fois que la tension d'une batterie dépasse 4,2 V ou que la tension d'une batterie tombe en dessous de 3,0 V, le système coupe automatiquement le circuit de charge ou de décharge. Si la température de la batterie dépasse la température de fonctionnement de la batterie ou si le courant est supérieur au courant de décharge de la batterie, le système coupera automatiquement le chemin du courant pour assurer la sécurité de la batterie et du système.
2. Le bilan énergétique de l'ensemble de la batterie après avoir travaillé pendant une certaine période de temps montrera de grandes différences qui pourraient être dues au fait d'avoir de nombreuses batteries en série, à l'incohérence de la cellule elle-même, à l'incohérence de la température de fonctionnement ou à d'autres raisons. Cela a un grand impact sur la durée de vie de la batterie et sur l’utilisation du système. L'équilibre énergétique consiste à compenser les différences entre les cellules individuelles pour effectuer une gestion active ou passive de la charge ou de la décharge afin de garantir la cohérence de la batterie et de prolonger sa durée de vie.

Il existe deux types de méthodes dans l'industrie : l'égalisation passive et l'égalisation active. L'égalisation passive consiste principalement à équilibrer la quantité d'énergie consommée par la résistance. L'égalisation active consiste principalement à transférer la puissance des batteries plus puissantes vers des batteries moins puissantes via une capacité, une inductance ou un transformateur. La comparaison de l'égalisation passive et active est présentée dans le tableau ci-dessous.

Étant donné que le système d'équilibre actif est relativement complexe et que son coût est relativement élevé, le courant dominant reste l'équilibre passif.

3. Le calcul SOC, le calcul de la puissance de la batterie est une partie très importante du BMS, de nombreux systèmes ont besoin de connaître plus précisément la puissance restante. En raison du développement de la technologie, il existe de nombreuses méthodes de calcul du SoC. Si les exigences de précision ne sont pas élevées, la puissance résiduelle peut être jugée en fonction de la tension de la batterie. Les méthodes principales et précises sont la méthode d'intégration actuelle (également appelée méthode ah), q = ∫ I DT, la méthode de résistance interne, la méthode du réseau neuronal, la méthode du filtre de Kalman, etc. Le courant dominant actuel dans l'industrie est toujours la méthode de notation actuelle.
4. Communication. Différents systèmes ont des exigences différentes en matière d'interfaces de communication. Les interfaces de communication principales sont SPI, I2C, can, RS485, etc. Les systèmes automobiles et de stockage d'énergie sont principalement can et RS485.

En raison du manque de concurrence et de la complexité du système BMS, il existe relativement peu de fabricants de systèmes. Les fabricants de puces concernés sont principalement des fabricants européens et américains, et il existe également quelques grandes entreprises en Chine. Il existe de nombreuses opportunités dans le futur.

J'espère pouvoir envoyer un e-mail pour communiquer avec vous sur la technologie, les produits et les fabricants de BMS.

（12） Exigences et systèmes de charge de la batterie Li-ion

La méthode de charge courante de la batterie au lithium est le courant constant et la tension constante (CC/CV) : courant constant – tension constante. Le courant constant est chargé en premier, puis la tension constante est chargée après avoir atteint un certain potentiel. Un bon chargeur peut également couler en fonction de l'état de tension de la batterie. Certains systèmes ajoutent également un mode de charge par impulsions à l'arrière et règlent la fin de la charge en fonction de l'heure.

Les chargeurs généraux intègrent des fonctions telles que la limitation de courant, la limitation de tension, la protection contre les surtensions, la protection contre les surintensités, la protection contre la surchauffe et la connexion anti-retour. Le système de charge spécifique est illustré dans la figure ci-dessous.

De plus, la charge du chargeur est généralement combinée avec un PCM ou un BMS pour effectuer un bilan énergétique pendant la phase de charge à tension constante.

Pour une batterie ordinaire au lithium-oxyde de cobalt, si la tension de la batterie est inférieure à 3,0 V, le chargeur commencera une charge d'entretien (environ 0,1 C) pour éviter d'endommager la batterie. Lorsque la tension de la batterie est chargée à 3,0 V, elle passe à une charge à courant constant (environ 1 C, le courant dépend du système). Il est détecté que la tension de la batterie est convertie en charge à tension constante lorsque la tension de la batterie atteint 4,1 V. Lorsque le courant de la batterie chute à environ 0,1 C, la charge est terminée et le système de charge et le circuit de charge sont fermés. La courbe de charge est présentée dans la figure ci-dessous.

Selon la puissance différente, le chargeur adopte une technologie de contrôle différente. L'alimentation linéaire est le schéma principal pour une faible puissance, et l'alimentation à découpage est le schéma principal pour une puissance élevée. La technologie des chargeurs est assez mature, les performances et l'efficacité des chargeurs peuvent fondamentalement atteindre un niveau relativement bon. Il existe de nombreux fabricants associés. Les principales technologies impliquées dans le chargeur sont principalement la technologie de l’alimentation électrique et la technologie des batteries. Les fabricants concernés ont également déjà fabriqué des alimentations électriques.

（13） Domaines d'application des batteries au lithium

Les batteries sont principalement utilisées dans les produits de consommation, les produits numériques, les produits électriques, les produits médicaux et de sécurité.