（1） Composição da bateria de íons de lítio

A bateria de íons de lítio é composta principalmente de duas partes: célula de bateria e uma placa de proteção PCM (bateria de energia é geralmente chamada de sistema de gerenciamento de bateria BMS). Célula de bateria de íons de lítio é o coração da bateria de íons de lítio, e o sistema de gerenciamento é equivalente ao cérebro de uma bateria de íons de lítio.

O núcleo é composto principalmente de material de eletrodo positivo, material de eletrodo negativo, um eletrólito, um diafragma e uma casca. A placa de proteção é composta principalmente de chip de proteção (ou chip de gerenciamento), tubo MOS, resistência, capacitância e uma placa PCB.

（2） Vantagens e desvantagens da bateria de íons de lítio

A bateria de íons de lítio tem muitas vantagens, como plataforma de alta tensão, alta densidade de energia (leve, pequeno volume), longa vida útil e proteção ambiental.

A desvantagem da bateria de lítio é que o preço é relativamente alto, a faixa de temperatura é relativamente estreita e há certos riscos de segurança (é necessário adicionar um sistema de proteção).

（3） Classificação da bateria de íons de lítio

As baterias de lítio podem ser divididas em duas categorias: baterias descartáveis não recarregáveis e baterias recarregáveis (também conhecidas como pilhas).

Baterias não recarregáveis, como baterias de dióxido de manganês e lítio, baterias de sulfeto de lítio.

As baterias recarregáveis podem ser divididas nas seguintes categorias de acordo com diferentes situações.

1. De acordo com a aparência: bateria de lítio quadrada (como bateria de celular comum) e bateria de lítio cilíndrica (como 18650 de ferramentas elétricas);
2. De acordo com os materiais de terceirização: bateria de lítio com revestimento de alumínio, bateria de lítio com revestimento de aço e bateria de bolsa macia.
3. De acordo com os materiais do cátodo, ácido cobáltico de lítio (LiCoO2), manganato de lítio (LiMn2O4), ternário de lítio (linixcoymnzo2) e fosfato de ferro de lítio (LiFePO4);
4. De acordo com o estado do eletrólito: bateria de íons de lítio (LIB) e bateria de polímero (PLB);
5. De acordo com o uso: bateria geral e bateria de energia.
6. De acordo com as características de desempenho: bateria de alta capacidade, bateria de alta taxa, bateria de alta temperatura, bateria de baixa temperatura, etc.

（4） Explicação de termos comuns

1. Capacidade

Refere-se à quantidade de eletricidade que pode ser obtida de uma bateria de lítio sob certas condições de descarga.

Sabemos na física do ensino médio que a fórmula da quantidade elétrica é q = I * t, a unidade é Coulomb, e a unidade de capacidade da bateria é especificada como Ah (ampere-hora) ou mAh (miliampere-hora). Isso significa que uma bateria de 1Ah pode ser descarregada por 1 hora com uma corrente de 1A quando está totalmente carregada.

No passado, a bateria do antigo celular da Nokia (como o bl-5c) era geralmente de 500mah. Agora, a bateria atual do smartphone é de 800-1900mah, a bateria da bicicleta elétrica é geralmente de 10-20ah, e a bateria dos veículos elétricos é geralmente de 20-200ah.

2. Taxa de carga / taxa de descarga

Indica quanta corrente é usada para carregar e descarregar. Geralmente é calculado pelo múltiplo da capacidade nominal da bateria, que geralmente é chamado de “vários C”.

Para uma bateria com capacidade de 1500mah, 1c = 1500mah é especificado. Se descarregar a 2c, significa descarregar a 3000ma de corrente. Carregar e descarregar a 0,1c significa que está carregando e descarregando a 150mA de corrente.

3. Tensão (OCV: tensão de circuito aberto)

A voltagem da bateria geralmente se refere à voltagem nominal da bateria de lítio (também conhecida como voltagem nominal). A voltagem nominal da bateria de lítio comum é geralmente 3,7 V, também chamamos sua plataforma de voltagem de 3,7 V. Quando dizemos voltagem, geralmente queremos dizer a voltagem de circuito aberto da bateria.

Quando a capacidade da bateria é 20-80%, a voltagem se concentra em torno de 3,7 V (3,6-3,9 V), quando a capacidade é muito alta ou muito baixa, a voltagem muda muito.

4. Energia/poder

Quando a bateria é descarregada de acordo com um determinado padrão, a energia (E) que a bateria pode descarregar é Wh (watt-hora) ou kWh (quilowatt-hora), e 1 kWh = 1 quilowatt-hora.

O livro de física tem um conceito básico, e = u * I * t, que também é igual à voltagem da bateria vezes a capacidade da bateria.

A fórmula da potência é p = u * I = E / T, que representa a energia que pode ser liberada por unidade de tempo. A unidade é w (W) ou kW (kW).

Para uma bateria com capacidade de 1500 mAh, a voltagem nominal é geralmente 3,7 V, então a energia correspondente é 5,55 Wh.

5. Resistência

Já que carregar e descarregar não pode ser equivalente a uma fonte de alimentação ideal por causa de certa resistência interna. A resistência interna consome energia. Quanto menor a resistência interna, melhor.

A unidade de resistência interna da bateria é miliohm (m Ω).

Geralmente, a resistência interna de uma bateria consiste em resistência interna ôhmica e uma resistência interna polarizada. O tamanho da resistência interna é afetado pelo material, processo de fabricação e estrutura da bateria.

6. Ciclo de vida

Depois que a bateria é carregada e descarregada, isso é chamado de ciclo, e a vida útil do ciclo é um indicador importante para medir o desempenho da vida útil da bateria.

De acordo com o padrão IEC, a bateria de lítio do telefone móvel deve ser descarregada para 3,0 V a 0,2 C e carregada para 4,2 V a 1 C. A capacidade da bateria deve ser mantida acima de 60% da capacidade inicial após 500 ciclos. Em outras palavras, o ciclo de vida da bateria de lítio é de 500 vezes.

De acordo com o padrão nacional, a capacidade deve permanecer em 70% da capacidade inicial após 300 ciclos.

Se a capacidade da bateria for menor que 60% da capacidade inicial, ela geralmente é considerada descartada.

7. DOD: profundidade do descarregador

É definida como a porcentagem da capacidade nominal liberada pela bateria.

Geralmente, quanto maior for a profundidade da descarga, menor será a vida útil da bateria.

8. Corte de tensão

A tensão de terminação é dividida em tensão de terminação de carga e tensão de terminação de descarga, ou seja, a tensão na qual a bateria não pode continuar a ser carregada ou descarregada. Se a bateria continuar a ser carregada ou descarregada na tensão de terminação, a vida útil da bateria será muito afetada.

A tensão de terminação de carga-descarga da bateria de lítio é de 4,2 V e 3,0 V, respectivamente.

É estritamente proibido carregar ou descarregar baterias de lítio além da tensão de terminação.

9. Autodescarga

Refere-se à taxa de diminuição da capacidade durantearmazenamento, expresso como a porcentagem de diminuição da capacidade por unidade de tempo.

A taxa de autodescarga da bateria de lítio geral é de 2% ~ 9% / mês.

10.   SOC (Estado de Carga)

Isso se refere à porcentagem da energia restante da bateria e à energia total que pode ser descarregada, 0 ~ 100%. Reflete a energia restante da bateria.

（5） Regras de nomenclatura de baterias de íons de lítio

Diferente bateria fabricantes temos regras de nomenclatura diferentes, mas todos nós seguimos um padrão unificado para baterias gerais. O tamanho da bateria pode ser conhecido de acordo com o nome da bateria

De acordo com a IEC61960, as regras para baterias cilíndricas e quadradas são as seguintes:

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

Três letras, a primeira letra representa o material do eletrodo negativo, I significa que há um íon de lítio embutido, L representa o eletrodo de metal de lítio ou liga de lítio. A segunda letra indica o material do eletrodo positivo, C indica cobalto, n indica níquel, m indica manganês e V indica vanádio. A terceira letra é R para um cilindro. 5 dígitos, os primeiros 2 dígitos representam o diâmetro, os últimos 3 dígitos representam a altura, todos em mm.

2. Bateria quadrada, 6 dígitos após 3 letras,

Três letras. As duas primeiras letras têm o mesmo significado de um cilindro. A última é p, que significa quadrado.

Existem seis dígitos, os dois primeiros indicam a espessura, o do meio indica a largura, os dois últimos indicam a altura (comprimento), a unidade também é mm.

Por exemplo, ICR 18650 é uma bateria cilíndrica universal 18650 com um diâmetro de 18 mm e uma altura de 65 mm;

ICP 053353 é uma bateria quadrada com espessura de 5 mm, largura de 33 mm e altura (comprimento) de 53 mm.

（6） Tecnologia de bateria de íons de lítio

Existem algumas diferenças no fluxo de processo de diferentes baterias e diferentes fabricantes, e o fluxo de processo detalhado será muito complexo. O fluxo de processo básico, o fluxo de processo de fabricação de células e o fluxo de processo de fabricação de pacotes estão listados abaixo.

O processo de produção de uma célula elétrica inclui principalmente a fabricação de peças polares, a fabricação de células elétricas, a montagem de baterias, a injeção de líquidos, a formação química, a separação e outros processos.

Do loteamento ao enrolamento, os eletrodos positivos e negativos são feitos em diferentes oficinas ao mesmo tempo. Depois que os eletrodos positivos e negativos são feitos, os processos subsequentes são feitos juntos. Diferentes links de QA de inspeção de qualidade serão inseridos no meio.

（7） Conexão em grupo e série-paralela da bateria de íons de lítio

Em diferentes campos, os requisitos para baterias são diferentes. O sistema tem alguns requisitos especiais para voltagem, capacidade, resistência interna, etc. frequentemente uma única bateria não pode atender aos requisitos, ela precisa ser conectada em série e paralelo para fornecer energia para o exterior.

O desempenho das baterias em série e em paralelo é determinado pelo desempenho da pior bateria, que é frequentemente chamado de “princípio do barril”. Portanto, o ponto mais importante do agrupamento de baterias é a consistência dos parâmetros de desempenho da bateria.

Por exemplo, um notebook, uma bicicleta elétrica, um veículo elétrico, um sistema de armazenamento de energia, etc., todos precisam considerar a conexão em série e em paralelo das baterias para formar um conjunto de baterias.

A voltagem da bateria do notebook é geralmente 11,1 V ou 14,8 V, principalmente baterias 18650, então geralmente é 2 séries e 3 paralelas ou 2 séries e 4 paralelas.

O iPad da Apple é composto por três baterias de polímero conectadas em paralelo, com capacidade de cerca de 25 Wh.

Os sistemas de bicicletas elétricas e motocicletas elétricas são geralmente sistemas de 24 V, 36 V, 48 V, 60 V e 72 V. Veja a tabela a seguir para condições específicas de grupo (s representa uma conexão em série).

Veículos elétricos puros e veículos elétricos híbridos (VE/PHEV) têm uma voltagem mais alta, cerca de 250 ~ 500 V, e a voltagem máxima será de mais de 150 nós conectados em série.

Além disso, há muitos fatores a serem considerados no agrupamento de baterias em uma conexão série-paralelo, como a consistência da plataforma de tensão da bateria, a consistência da capacidade da bateria, a consistência da resistência interna da bateria, etc.

A consistência dos parâmetros da bateria após uma conexão série-paralelo tem grande influência no desempenho e na vida útil da bateria.

 8） Comparação de várias baterias de energia

A bateria elétrica é considerada principalmente em termos de aplicação, sendo usada principalmente em veículos elétricos, bicicletas elétricas, ferramentas elétricas e assim por diante.

A bateria de energia é diferente de uma bateria comum, mas tem algumas características especiais

1. Ligação em série e em paralelo de baterias
2. A bateria tem uma capacidade maior
3. A taxa de descarga da bateria é alta (energia híbrida e ferramentas elétricas)
4. A bateria tem requisitos de segurança mais elevados
5. A bateria tem uma ampla faixa de temperatura operacional
6. A vida útil da bateria é longa, geralmente de 5 a 10 anos

Devido à particularidade da bateria de energia, há algumas diferenças em seu processo e materiais. De acordo com a situação dos materiais de eletrodo positivo, ele é dividido principalmente em manganato de lítio (LiMn2O4), ternário de lítio (linixcoymnzo2), fosfato de ferro de lítio (LiFePO4), etc. sua plataforma de voltagem, densidade de energia, preço, segurança, etc. todos têm certas diferenças. Veja a comparação na tabela abaixo para detalhes:

(o cobaltito de lítio raramente é usado como bateria de energia devido à sua baixa estabilidade e alto preço, que são listados e comparados na tabela abaixo)

（9） Modelo de bateria de lítio

Em termos de características elétricas, a resistência interna da bateria não é completamente equivalente a um resistor. Para detalhes, consulte o modelo de circuito equivalente PNGV estrangeiro. Conforme mostrado na figura abaixo.

A resistência interna da bateria é composta principalmente pela resistência ôhmica R0 e pela resistência de polarização R1, onde C1 é a capacitância de polarização.

Existem dois métodos principais de teste para medição de resistência interna de bateria na indústria. O método de descarga CC e o método de injeção CA, que não podem ser medidos pelo método comum de medição de resistência, mas podem ser medidos apenas pelo instrumento especial de medição de resistência interna.

A resistência interna da bateria é um parâmetro importante que reflete o desempenho e a vida útil da bateria. Quando o ciclo de vida da bateria se aproxima, a resistência interna da bateria aumenta acentuadamente. A relação entre o número de ciclos e a resistência interna é mostrada na figura abaixo.

10） Características elétricas e parâmetros principais da bateria de íons de lítio

1. A curva de carga-descarga da bateria

A curva de carga e descarga da bateria de lítio se refere à curva de relacionamento entre a capacidade da bateria e a tensão de circuito aberto. De acordo com a curva de descarga, a potência da bateria pode ser estimada aproximadamente, conforme mostrado na figura abaixo.

A curva de carga-descarga da bateria de lítio não está relacionada apenas à corrente de carga e descarga, mas também à temperatura. Conforme mostrado na figura abaixo.

2. Parâmetros principais da bateria

Devido às suas próprias características, a bateria de lítio não pode ser sobrecarregada, descarregada em excesso, sobrecorrente ou superaquecida. Portanto, considerando a segurança e a vida útil da bateria, a bateria deve ser protegida adequadamente. Existem vários parâmetros que são frequentemente encontrados e são listados em paralelo. Há pouca diferença na voltagem entre diferentes fabricantes. No entanto, haverá algumas diferenças entre baterias com diferentes temperaturas operacionais, diferentes taxas de descarga ou diferentes fabricantes.

11） Requisitos e sistemas de proteção e gerenciamento de baterias de íons de lítio

Devido às características das baterias de lítio, é necessário adicionar uma placa de proteção de bateria (PCM) ou um sistema de gerenciamento de bateria (BMS). Baterias sem uma placa de proteção ou sistema de gerenciamento são proibidas de usar, e haverá enormes riscos de segurança. A segurança é sempre a primeira prioridade para sistemas de bateria.

Se a bateria não for bem protegida ou gerenciada, pode haver risco de vida útil reduzida, danos ou explosão.

O PCM (módulo de circuito de energia) é usado principalmente em produtos de consumo, como celulares e notebooks.

O sistema de gerenciamento de bateria (BMS) é usado principalmente em baterias de energia, como veículos elétricos, bicicletas elétricas, armazenamento de energia e outros sistemas de grande escala.

As principais funções do PCM incluem OVP, UVP, OTP, OCP, etc. Em caso de qualquer anormalidade, o sistema será desligado automaticamente para garantir a segurança do sistema.

A tecnologia do sistema de proteção de bateria é muito madura, há muitas fábricas de placas relacionadas, concentradas principalmente no sul da China. E há fabricantes especiais de IC que fornecem chips especiais de proteção de bateria de lítio. Esta peça é relativamente madura, e há muitos chips IC de proteção maduros na China.

Além das funções básicas de proteção do sistema de proteção, as principais funções do sistema de gerenciamento de bateria (BMS) incluem medição de tensão, temperatura e corrente da bateria, balanço de energia, cálculo e exibição de SOC, alarme anormal, gerenciamento de carga e descarga, comunicação, etc. Alguns sistemas BMS também integram gerenciamento de calor, aquecimento da bateria, análise do estado de saúde da bateria (soh), medição da resistência de isolamento, etc.

Introdução e análise da função BMS:

1. A proteção da bateria é semelhante ao PCM, que inclui proteção contra sobrecarga, descarga excessiva, temperatura excessiva, sobrecorrente e curto-circuito. Como a bateria de lítio-manganês comum e a bateria de lítio ternária, uma vez que a voltagem de qualquer bateria exceda 4,2 V ou a voltagem de qualquer bateria caia abaixo de 3,0 V, o sistema cortará automaticamente o circuito de carga ou descarga. Se a temperatura da bateria exceder a temperatura de trabalho da bateria ou a corrente for maior que a corrente de descarga da bateria, o sistema cortará automaticamente o caminho da corrente para garantir a segurança da bateria e do sistema.
2. O balanço de energia de todo o conjunto de baterias após trabalhar por um certo período de tempo mostrará grandes diferenças que podem ser, devido a ter muitas baterias em série, devido à inconsistência da própria célula, à inconsistência da temperatura de trabalho ou outros motivos. Isso tem um grande impacto na vida útil da bateria e no uso do sistema. O balanço de energia é para compensar as diferenças entre células individuais para fazer algum gerenciamento ativo ou passivo de carga ou descarga para garantir a consistência da bateria e prolongar a vida útil da bateria.

Existem dois tipos de métodos na indústria: equalização passiva e equalização ativa. A equalização passiva é principalmente para equilibrar a quantidade de energia que é consumida pela resistência. A equalização ativa é principalmente para transferir a energia de baterias com mais energia para baterias menos potentes por meio de capacitância, indutância ou transformador. A comparação da equalização passiva e ativa é mostrada na tabela abaixo.

Como o sistema de equilíbrio ativo é relativamente complexo e o custo é relativamente alto, o principal ainda é o equilíbrio passivo.

3. Cálculo de SOC, cálculo de energia da bateria é uma parte muito importante do BMS, muitos sistemas precisam saber a energia restante com mais precisão. Devido ao desenvolvimento da tecnologia, existem muitos métodos para cálculo de SoC. Se os requisitos de precisão não forem altos, a energia residual pode ser julgada de acordo com a tensão da bateria. Os métodos principais e precisos são o método de integração de corrente (também chamado de método ah), q = ∫ I DT, método de resistência interna, método de rede neural, método de filtro de Kalman, etc. O mainstream atual na indústria ainda é o método de pontuação atual.
4. Comunicação. Diferentes sistemas têm diferentes requisitos para interfaces de comunicação. As principais interfaces de comunicação são SPI, I2C, can, RS485, etc. Os sistemas de armazenamento de energia e automóveis são principalmente can e RS485.

Devido à competição insuficiente e à complexidade do sistema BMS, há relativamente poucos fabricantes de sistemas. Os fabricantes de chips relacionados são principalmente fabricantes europeus e americanos, e há algumas grandes empresas na China também. Há muitas oportunidades no futuro.

Espero poder enviar um e-mail para me comunicar com você sobre a tecnologia, os produtos e os fabricantes do BMS.

（12） Requisitos e sistemas de carregamento de baterias de íons de lítio

O método de carregamento convencional da bateria de lítio é corrente constante e voltagem constante (CC / CV): corrente constante - voltagem constante. A corrente constante é carregada primeiro e então a voltagem constante é carregada após atingir um certo potencial. Um bom carregador também pode fazer o gotejamento de acordo com o estado da voltagem da bateria. Alguns sistemas também adicionam o modo de carregamento de pulso na parte traseira e definem o fim do carregamento de acordo com o tempo.

Carregadores gerais integram funções como limitação de corrente, limitação de tensão, proteção contra sobretensão, proteção contra sobrecorrente, proteção contra sobretemperatura e conexão antirreversa. O sistema de carregamento específico é mostrado na figura abaixo.

Além disso, o carregamento do carregador geralmente é combinado com PCM ou BMS para fazer o equilíbrio de energia no estágio de carregamento de tensão constante.

Para uma bateria comum de óxido de cobalto e lítio, se a voltagem da bateria for menor que 3,0 V, o carregador iniciará o carregamento lento (cerca de 0,1 C) para evitar danos à bateria. Quando a voltagem da bateria é carregada para 3,0 V, ela é alterada para carregamento de corrente constante (cerca de 1 C, a corrente depende do sistema). É detectado que a voltagem da bateria é convertida para carregamento de voltagem constante quando a voltagem da bateria atinge 4,1 V. Quando a corrente da bateria cai para cerca de 0,1 C, o carregamento é concluído e o sistema de carregamento e o circuito de carregamento são fechados. A curva de carregamento é mostrada na figura abaixo.

De acordo com a potência diferente, o carregador adota tecnologia de controle diferente. A fonte de alimentação linear é o esquema principal para baixa potência, e a fonte de alimentação de comutação é o esquema principal para alta potência. A tecnologia do carregador tem sido bastante madura, o desempenho e a eficiência do carregador são basicamente capazes de atingir um nível relativamente bom. Existem muitos fabricantes relacionados. As principais tecnologias envolvidas no carregador são principalmente tecnologia de fonte de alimentação e tecnologia de bateria. Os fabricantes relacionados também fizeram fabricação de fonte de alimentação antes.

（13） Campos de aplicação de baterias de lítio

As baterias são usadas principalmente em produtos de consumo, produtos digitais, produtos de energia, produtos médicos e segurança.