Conoscenza di base della batteria agli ioni di litio per il pacco batteria dell'illuminazione stradale solare

(1) Composizione della batteria agli ioni di litio

La batteria agli ioni di litio è composta principalmente da due parti: la cella della batteria e una scheda di protezione PCM (la batteria di alimentazione è generalmente chiamata sistema di gestione della batteria BMS). Cella della batteria agli ioni di litio è il cuore della batteria agli ioni di litio e il sistema di gestione è equivalente al cervello di una batteria agli ioni di litio.

Il nucleo è composto principalmente da materiale per l'elettrodo positivo, materiale per l'elettrodo negativo, un elettrolita, un diaframma e un guscio. La piastra di protezione è composta principalmente da un chip di protezione (o chip di gestione), un tubo MOS, una resistenza, un condensatore e una scheda PCB.

(2) Vantaggi e svantaggi della batteria agli ioni di litio

La batteria agli ioni di litio presenta numerosi vantaggi, tra cui piattaforma ad alta tensione, elevata densità energetica (leggera, volume ridotto), lunga durata e protezione ambientale.

Lo svantaggio delle batterie al litio è che il prezzo è relativamente alto, l'intervallo di temperatura è relativamente ristretto e ci sono alcuni rischi per la sicurezza (è necessario aggiungere un sistema di protezione).

(3) Classificazione delle batterie agli ioni di litio

Le batterie al litio possono essere suddivise in due categorie: batterie usa e getta non ricaricabili e batterie ricaricabili (note anche come batterie).

Batterie non ricaricabili come le batterie al litio-biossido di manganese e le batterie al litio-solfimmide.

Le batterie ricaricabili possono essere suddivise nelle seguenti categorie, a seconda delle diverse situazioni.

1. In base all'aspetto: batteria al litio quadrata (come la normale batteria del telefono cellulare) e batteria al litio cilindrica (come la 18650 degli utensili elettrici);
2. In base ai materiali di outsourcing: batteria al litio con guscio in alluminio, batteria al litio con guscio in acciaio e batteria in borsa morbida.
3. In base ai materiali catodici, acido cobaltico di litio (LiCoO2), manganato di litio (LiMn2O4), ternario di litio (linixcoymnzo2) e fosfato di ferro e litio (LiFePO4);
4. In base allo stato dell'elettrolita: batteria agli ioni di litio (LIB) e batteria ai polimeri (PLB);
5. In base all'utilizzo: batteria generale e batteria di potenza.
6. In base alle caratteristiche prestazionali: batteria ad alta capacità, batteria ad alta velocità, batteria ad alta temperatura, batteria a bassa temperatura, ecc.

（4） Spiegazione dei termini comuni

1. Capacità

Si riferisce alla quantità di elettricità che può essere ottenuta da una batteria al litio in determinate condizioni di scarica.

Sappiamo dalla fisica delle superiori che la formula della grandezza elettrica è q = I * t, l'unità di misura è il Coulomb e l'unità di misura della capacità della batteria è Ah (ampere-ora) o mAh (milliampere-ora). Ciò significa che una batteria da 1 Ah può essere scaricata per 1 ora con una corrente di 1 A quando è completamente carica.

In passato, la batteria dei vecchi cellulari Nokia (come il BL-5C) era generalmente da 500 mAh. Ora, la batteria degli smartphone attuali è da 800-1900 mAh, la batteria delle biciclette elettriche è generalmente da 10-20 Ah e la batteria dei veicoli elettrici è generalmente da 20-200 Ah.

2. Velocità di carica/scarica

Indica la quantità di corrente utilizzata per la carica e la scarica. Generalmente viene calcolata come multiplo della capacità nominale della batteria, generalmente chiamato "diversi C".

Per una batteria con una capacità di 1500 mAh, si specifica 1c = 1500 mAh. Se la scarica avviene a 2c, significa che la corrente è di 3000 mA. Caricare e scaricare a 0,1c significa che la corrente è di 150 mA.

3. Tensione (OCV: tensione a circuito aperto)

La tensione della batteria si riferisce generalmente alla tensione nominale della batteria al litio (nota anche come tensione nominale). La tensione nominale di una normale batteria al litio è generalmente di 3,7 V; chiamiamo anche la sua piattaforma di tensione 3,7 V. Quando parliamo di tensione, intendiamo generalmente la tensione a circuito aperto della batteria.

Quando la capacità della batteria è 20-80%, la tensione è concentrata intorno a 3,7 V (3,6-3,9 V), quando la capacità è troppo alta o troppo bassa, la tensione cambia notevolmente.

4. Energia/potenza

Quando la batteria viene scaricata secondo un certo standard, l'energia (E) che la batteria può scaricare è Wh (wattora) o kWh (kilowattora), e 1 kWh = 1 kilowattora.

Il libro di fisica ha un concetto di base, e = u * I * t, che è anche uguale alla tensione della batteria moltiplicata per la capacità della batteria.

La formula della potenza è p = u * I = E / T, che rappresenta l'energia che può essere rilasciata nell'unità di tempo. L'unità di misura è w (W) o kW (kW).

Per una batteria con una capacità di 1500 mAh, la tensione nominale è generalmente di 3,7 V, quindi l'energia corrispondente è di 5,55 Wh.

5. Resistenza

Poiché la carica e la scarica non possono essere equivalenti a un alimentatore ideale a causa di una certa resistenza interna, la resistenza interna consuma energia. Minore è la resistenza interna, migliore è.

L'unità di misura della resistenza interna della batteria è il milliohm (m Ω).

Generalmente, la resistenza interna di una batteria è composta da una resistenza interna ohmica e da una resistenza interna polarizzata. L'entità della resistenza interna è influenzata dal materiale, dal processo di fabbricazione e dalla struttura della batteria.

6. Ciclo di vita

Una volta caricata e scaricata la batteria, si verifica un ciclo, e la durata del ciclo è un indicatore importante per misurare la durata della batteria.

Secondo lo standard IEC, la batteria al litio del telefono cellulare deve essere scaricata a 3,0 V a 0,2 °C e caricata a 4,2 V a 1 °C. La capacità della batteria deve essere mantenuta al di sopra di 601 TP3 T della capacità iniziale dopo 500 cicli. In altre parole, la durata di una batteria al litio è di 500 cicli.

Secondo la norma nazionale, la capacità deve rimanere pari a 70% della capacità iniziale dopo 300 cicli.

Se la capacità della batteria è inferiore a 60% rispetto alla capacità iniziale, in genere viene considerata rottamata.

7. DOD: profondità dello scaricatore

È definita come la percentuale della capacità nominale rilasciata dalla batteria.

In genere, maggiore è la profondità di scarica, minore è la durata della batteria.

8. Tagliare la tensione

La tensione di terminazione si divide in tensione di terminazione di carica e tensione di terminazione di scarica, ovvero la tensione alla quale la batteria non può continuare a caricarsi o scaricarsi. Se la batteria continua a caricarsi o scaricarsi alla tensione di terminazione, la sua durata ne risentirà notevolmente.

La tensione di terminazione della carica-scarica della batteria al litio è rispettivamente di 4,2 V e 3,0 V.

È severamente vietato caricare o scaricare le batterie al litio oltre la tensione di terminazione.

9. Autoscarica

Si riferisce al tasso di diminuzione della capacità duranteng storage, espresso come percentuale di diminuzione della capacità per unità di tempo.

Il tasso di autoscarica delle batterie al litio generiche è 2% ~ 9%/mese.

10.   SOC (stato di carica)

Si riferisce alla percentuale di carica residua della batteria e alla potenza totale che può essere scaricata, 0 ~ 100%. Riflette la carica residua della batteria.

(5) Regole di denominazione delle batterie agli ioni di litio

Diverso batteria produttori hanno regole di denominazione diverse, ma tutti seguiamo uno standard unificato per le batterie generali. La dimensione della batteria può essere conosciuta in base al nome della batteria.

Secondo la norma IEC61960, le regole per le batterie cilindriche e quadrate sono le seguenti:

1. Batteria cilindrica, 3 lettere seguite da 5 numeri,

Tre lettere, la prima lettera rappresenta il materiale dell'elettrodo negativo, la I indica che è presente un ione di litio incorporato, la L rappresenta l'elettrodo di litio metallico o in lega di litio. La seconda lettera indica il materiale dell'elettrodo positivo, la C indica il cobalto, la n indica il nichel, la m indica il manganese e la V indica il vanadio. La terza lettera è la R, che sta per cilindro. 5 cifre, le prime 2 cifre rappresentano il diametro, le ultime 3 cifre rappresentano l'altezza, tutte in mm.

2. Batteria quadrata, 6 cifre dopo 3 lettere,

Tre lettere. Le prime due lettere hanno lo stesso significato di cilindro. L'ultima è p, che significa quadrato.

Ci sono sei cifre, le prime due indicano lo spessore, quella centrale indica la larghezza, le ultime due indicano l'altezza (lunghezza), l'unità è sempre mm.

Ad esempio, ICR 18650 è una batteria cilindrica universale 18650 con un diametro di 18 mm e un'altezza di 65 mm;

ICP 053353 è una batteria quadrata con uno spessore di 5 mm, una larghezza di 33 mm e un'altezza (lunghezza) di 53 mm.

(6) Tecnologia delle batterie agli ioni di litio

Esistono alcune differenze nel flusso di processo delle diverse batterie e dei diversi produttori, e il flusso di processo dettagliato sarà molto complesso. Di seguito sono elencati il flusso di processo di base, il flusso di processo di produzione delle celle e il flusso di processo di produzione dei pacchi.

Il processo di produzione di una cella elettrica comprende principalmente la fabbricazione dell'elemento polare, la fabbricazione della cella elettrica, l'assemblaggio della batteria, l'iniezione di liquido, la formazione chimica, la separazione e altri processi.

Dalla produzione in lotti all'avvolgimento, gli elettrodi positivi e negativi vengono realizzati contemporaneamente in officine diverse. Dopo la produzione degli elettrodi positivi e negativi, i processi successivi vengono eseguiti contemporaneamente. A questo punto, vengono inseriti diversi collegamenti di controllo qualità.

(7) Collegamento di gruppo e serie-parallelo della batteria agli ioni di litio

In diversi campi, i requisiti per le batterie sono diversi. Il sistema ha requisiti specifici per tensione, capacità, resistenza interna, ecc. Spesso una singola batteria non può soddisfare i requisiti, ma deve essere collegata in serie e in parallelo per fornire energia all'esterno.

Le prestazioni delle batterie in serie e in parallelo sono determinate dalle prestazioni della batteria peggiore, un fenomeno spesso definito "principio del barile". Pertanto, il punto più importante nel raggruppamento delle batterie è la coerenza dei parametri prestazionali.

Ad esempio, un notebook, una bicicletta elettrica, un veicolo elettrico, un sistema di accumulo di energia, ecc. devono tutti considerare il collegamento in serie e in parallelo delle batterie per formare un pacco batterie.

La tensione della batteria del notebook è generalmente di 11,1 V o 14,8 V, principalmente batterie 18650, quindi solitamente si tratta di 2 serie e 3 parallele o 2 serie e 4 parallele.

L'iPad di Apple è dotato di tre batterie ai polimeri collegate in parallelo, con una capacità di circa 25 Wh.

I sistemi per biciclette e motociclette elettriche sono generalmente da 24 V, 36 V, 48 V, 60 V e 72 V. Consultare la tabella seguente per le condizioni specifiche dei gruppi (la "s" rappresenta una connessione in serie).

I veicoli puramente elettrici e i veicoli elettrici ibridi (EV/PHEV) hanno una tensione più elevata, circa 250 ~ 500 V, e la tensione massima sarà superiore a 150 nodi collegati in serie.

Inoltre, ci sono molti aspetti da considerare nel raggruppamento delle batterie in un collegamento serie-parallelo, come la coerenza della piattaforma di tensione della batteria, la coerenza della capacità della batteria, la coerenza della resistenza interna della batteria, ecc.

La coerenza dei parametri della batteria dopo un collegamento in serie-parallelo ha una grande influenza sulle prestazioni e sulla durata della batteria.

 8) Confronto tra diverse batterie di potenza

La batteria di potenza è considerata principalmente in termini di applicazione, utilizzata principalmente nei veicoli elettrici, nelle biciclette elettriche, negli utensili elettrici e così via.

La batteria di alimentazione è diversa da una batteria normale, ma ha alcune caratteristiche speciali

1. Collegamento in serie e in parallelo delle batterie
2. La batteria ha una capacità maggiore
3. La velocità di scarica della batteria è elevata (alimentazione ibrida e utensili elettrici)
4. La batteria ha requisiti di sicurezza più elevati
5. La batteria ha un ampio intervallo di temperatura di funzionamento
6. La durata della batteria è lunga, generalmente 5-10 anni

Data la particolarità della batteria, esistono alcune differenze nel processo produttivo e nei materiali. In base ai materiali dell'elettrodo positivo, si dividono principalmente in manganato di litio (LiMn2O4), litio ternario (linixcoymnzo2), litio ferro fosfato (LiFePO4), ecc. La piattaforma di tensione, la densità energetica, il prezzo, la sicurezza, ecc. presentano tutte alcune differenze. Per i dettagli, consultare la tabella comparativa sottostante:

(la cobaltite di litio è raramente utilizzata come batteria di potenza a causa della sua scarsa stabilità e del prezzo elevato, elencati e confrontati nella tabella sottostante)

(9) Modello di batteria al litio

In termini di caratteristiche elettriche, la resistenza interna della batteria non è completamente equivalente a quella di un resistore. Per maggiori dettagli, fare riferimento al modello di circuito equivalente PNGV straniero, come mostrato nella figura seguente.

La resistenza interna della batteria è composta principalmente dalla resistenza ohmica R0 e dalla resistenza di polarizzazione R1, dove C1 è la capacità di polarizzazione.

Esistono due metodi principali per misurare la resistenza interna delle batterie nel settore. Il metodo di scarica CC e il metodo di iniezione CA, che non possono essere misurati con i normali metodi di misurazione della resistenza, ma solo con uno speciale strumento di misura della resistenza interna.

La resistenza interna della batteria è un parametro importante che ne riflette le prestazioni e la durata. All'avvicinarsi del ciclo di vita della batteria, la resistenza interna aumenta notevolmente. La relazione tra il numero di cicli e la resistenza interna è mostrata nella figura seguente.

10) Caratteristiche elettriche e parametri chiave della batteria agli ioni di litio

1. La curva di carica-scarica della batteria

La curva di carica e scarica di una batteria al litio si riferisce alla curva di relazione tra la capacità della batteria e la tensione a circuito aperto. In base alla curva di scarica, è possibile stimare approssimativamente la potenza della batteria, come mostrato nella figura seguente.

La curva di carica-scarica di una batteria al litio non è correlata solo alla corrente di carica e scarica, ma anche alla temperatura, come mostrato nella figura seguente.

2. Parametri chiave della batteria

Grazie alle sue caratteristiche, la batteria al litio non può essere sovraccaricata, sovrascaricata, sovracorrente o surriscaldata. Pertanto, per motivi di sicurezza e durata, è necessario proteggerla adeguatamente. Esistono diversi parametri che si incontrano spesso e sono elencati in parallelo. La differenza di tensione tra i diversi produttori è minima. Tuttavia, ci saranno alcune differenze tra batterie con diverse temperature di esercizio, diverse velocità di scarica o diversi produttori.

11) Requisiti e sistemi di protezione e gestione delle batterie agli ioni di litio

Date le caratteristiche delle batterie al litio, è necessario aggiungere una scheda di protezione della batteria (PCM) o un sistema di gestione della batteria (BMS). L'uso di batterie senza scheda di protezione o sistema di gestione è vietato e comporta enormi rischi per la sicurezza. La sicurezza è sempre la priorità assoluta per i sistemi di batterie.

Se la batteria non è adeguatamente protetta o gestita, potrebbe esserci il rischio di una durata ridotta, di danni o di esplosione.

Il PCM (modulo del circuito di potenza) è utilizzato principalmente nei prodotti di consumo come telefoni cellulari e notebook.

Il sistema di gestione della batteria (BMS) è utilizzato principalmente nelle batterie di potenza, come quelle dei veicoli elettrici, delle biciclette elettriche, degli accumulatori di energia e di altri sistemi su larga scala.

Le funzioni principali del PCM includono OVP, UVP, OTP, OCP, ecc. In caso di anomalia, il sistema si spegnerà automaticamente per garantirne la sicurezza.

La tecnologia dei sistemi di protezione delle batterie è molto matura, ci sono molte fabbriche di schede correlate, concentrate principalmente nella Cina meridionale. Esistono anche produttori di circuiti integrati specializzati che forniscono chip di protezione per batterie al litio. Questo settore è relativamente maturo e ci sono molti chip di protezione IC maturi in Cina.

Oltre alle funzioni di protezione di base del sistema di protezione, le funzioni principali del sistema di gestione della batteria (BMS) includono la misurazione della tensione, della temperatura e della corrente della batteria, il bilancio energetico, il calcolo e la visualizzazione dello stato di carica (SOC), l'allarme anomalo, la gestione della carica e della scarica, la comunicazione, ecc. Alcuni sistemi BMS integrano anche la gestione del calore, il riscaldamento della batteria, l'analisi dello stato di salute della batteria (SOH), la misurazione della resistenza di isolamento, ecc.

Introduzione e analisi della funzione BMS:

1. La protezione della batteria è simile a quella del PCM, che include protezione da sovraccarico, scarica eccessiva, sovratemperatura, sovracorrente e cortocircuito. Come per le normali batterie al litio-manganese e le batterie al litio ternarie, quando la tensione di una batteria supera i 4,2 V o scende al di sotto dei 3,0 V, il sistema interrompe automaticamente il circuito di carica o scarica. Se la temperatura della batteria supera la temperatura di esercizio o la corrente è superiore alla corrente di scarica della batteria, il sistema interrompe automaticamente il percorso della corrente per garantire la sicurezza della batteria e del sistema.
2. Il bilancio energetico dell'intero pacco batteria dopo un certo periodo di funzionamento mostrerà grandi differenze, che potrebbero essere dovute alla presenza di molte batterie in serie, all'incoerenza delle celle stesse, all'incoerenza della temperatura di esercizio o ad altri motivi. Ciò ha un impatto significativo sulla durata della batteria e sull'utilizzo del sistema. Il bilancio energetico serve a compensare le differenze tra le singole celle per gestire la carica o la scarica attiva o passiva, garantendo la coerenza della batteria e prolungandone la durata.

Esistono due tipi di metodi nel settore: equalizzazione passiva ed equalizzazione attiva. L'equalizzazione passiva serve principalmente a bilanciare la quantità di potenza assorbita dalla resistenza. L'equalizzazione attiva serve principalmente a trasferire l'energia dalle batterie più potenti a quelle meno potenti tramite capacità, induttanza o trasformatore. Il confronto tra equalizzazione passiva e attiva è mostrato nella tabella seguente.

Poiché il sistema di equilibrio attivo è relativamente complesso e il costo è relativamente elevato, la tendenza prevalente è ancora l'equilibrio passivo.

3. Il calcolo del SoC e della potenza della batteria è una parte molto importante del BMS, poiché molti sistemi necessitano di conoscere la potenza residua con maggiore precisione. Grazie allo sviluppo tecnologico, esistono molti metodi per il calcolo del SoC. Se i requisiti di precisione non sono elevati, la potenza residua può essere valutata in base alla tensione della batteria. I metodi principali e più accurati sono il metodo di integrazione della corrente (chiamato anche metodo ah), q = ∫ I DT, il metodo della resistenza interna, il metodo della rete neurale, il metodo del filtro di Kalman, ecc. Il metodo di calcolo del punteggio più diffuso nel settore è ancora quello dell'attuale punteggio.
4. Comunicazione. Sistemi diversi hanno requisiti diversi per le interfacce di comunicazione. Le interfacce di comunicazione più diffuse sono SPI, I²C, CAN, RS485, ecc. I sistemi automobilistici e di accumulo di energia utilizzano principalmente CAN e RS485.

A causa della scarsa concorrenza e della complessità del sistema BMS, i produttori di sistemi sono relativamente pochi. I produttori di chip correlati sono principalmente europei e americani, con alcune grandi aziende anche in Cina. Le opportunità future sono numerose.

Spero di poterti inviare un'e-mail per comunicare con te in merito alla tecnologia, ai prodotti e ai produttori di BMS.

(12) Requisiti e sistemi di ricarica delle batterie agli ioni di litio

Il metodo di carica più diffuso per le batterie al litio è a corrente e tensione costanti (CC/CV): corrente costante – tensione costante. La corrente costante viene caricata per prima, mentre la tensione costante viene caricata dopo aver raggiunto un certo potenziale. Un buon caricabatterie può anche erogare una carica graduale in base allo stato di tensione della batteria. Alcuni sistemi aggiungono anche la modalità di carica a impulsi sul retro e impostano la fine della carica in base al tempo.

I caricabatterie generici integrano funzioni quali limitazione di corrente, limitazione di tensione, protezione da sovratensione, protezione da sovracorrente, protezione da sovratemperatura e connessione anti-inversione. Il sistema di ricarica specifico è illustrato nella figura seguente.

Inoltre, la carica del caricabatterie è solitamente combinata con PCM o BMS per bilanciare l'energia nella fase di carica a tensione costante.

Per una normale batteria al litio-ossido di cobalto, se la tensione della batteria è inferiore a 3,0 V, il caricabatterie avvia la carica di mantenimento (circa 0,1 °C) per evitare danni alla batteria. Quando la tensione della batteria raggiunge i 3,0 V, la carica passa alla carica a corrente costante (circa 1 °C, la corrente dipende dal sistema). Viene rilevato che la tensione della batteria viene convertita in carica a tensione costante quando la tensione della batteria raggiunge i 4,1 V. Quando la corrente della batteria scende a circa 0,1 °C, la carica è completata e il sistema di carica e il circuito di carica vengono chiusi. La curva di carica è mostrata nella figura seguente.

A seconda della potenza, il caricabatterie adotta diverse tecnologie di controllo. L'alimentatore lineare è lo schema principale per la bassa potenza, mentre l'alimentatore switching è lo schema principale per l'alta potenza. La tecnologia dei caricabatterie è piuttosto matura e le prestazioni e l'efficienza sono sostanzialmente in grado di raggiungere un livello relativamente buono. Esistono molti produttori correlati. Le principali tecnologie coinvolte nel caricabatterie sono principalmente la tecnologia degli alimentatori e la tecnologia delle batterie. I produttori correlati si sono già occupati in passato della produzione di alimentatori.

(13) Campi di applicazione delle batterie al litio

Le batterie vengono utilizzate principalmente nei prodotti di consumo, nei prodotti digitali, nei prodotti energetici, nei settori medico e della sicurezza.