（1）锂离子电池的组成

锂离子电池主要由两部分组成：电池芯和保护板 PCM（动力电池一般称为电池管理系统 BMS）。电池 锂离子电池单元 是锂离子电池的心脏，而管理系统则相当于锂离子电池的大脑。

电芯主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和外壳组成。保护板主要由保护芯片（或管理芯片）、MOS 管、电阻、电容和 PCB 板组成。

（2）锂离子电池的优缺点

锂离子电池具有电压平台高、能量密度高（重量轻、体积小）、使用寿命长和环保等诸多优点。

锂电池的缺点是价格相对较高，温度范围相对较窄，存在一定的安全隐患（需要增加保护系统）。

各种电池的参数比较	铅酸电池	镍镉电池 （镍-镉）	镍氢电池 （镍-MH）	锂电池
额定电压 (V)	2	1.2	1.2	3.2/3.6/3.7
重量能量密度 (瓦时/公斤）	25~30	40~45	60~65	120~200
体积能量密度 (WH / L)	65~80	150~180	300~350	350~400
最佳工作温度 (℃)	-40~70	-20~60	-20~45	0~45
环保	铅污染	镉 污染	/	/
回收 （次）	200~300	500	1000	500~1500
费用 (人民币/小时）	0.6~1.0	2.0~2.6	2.5~3.8	2.0~3.5
充电器成本	低 (稳定电压源）	一般情况 （恒流源）	一般情况 （恒流源）	高 (恒流恒压）

（3）锂离子电池分类

锂电池可分为两类：一次性不可充电电池和可充电电池（也称为电池）。

不可充电电池，如二氧化锰锂电池、亚硫酰亚胺锂电池。

充电电池可根据不同情况分为以下几类。

1. 按外观分为：方形锂电池（如普通手机电池）和圆柱形锂电池（如电动工具的 18650）；
2. 按照外包材料分为：铝壳锂电池、钢壳锂电池和软包电池。
3. 正极材料有钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、三元锂（linixcoymnzo2）和磷酸铁锂（LiFePO4）；
4. 根据电解质的状态分为：锂离子电池（LIB）和聚合物电池（PLB）；
5. 按用途分为：普通电池和动力电池。
6. 根据性能特点分为：高容量电池、高倍率电池、高温电池、低温电池等。

（4）常用术语解释

1. 容量

它是指锂电池在特定放电条件下可获得的电量。

我们在高中物理中知道，电量的计算公式是 q = I * t，单位是库仑，电池容量的单位规定为 Ah（安培小时）或 mAh（毫安培小时）。这意味着，1Ah 的电池在充满电后，可以用 1A 的电流放电 1 小时。

过去，诺基亚老式手机（如 bl-5c）的电池一般为 500mah。现在，智能手机的电池一般为 800-1900mah，电动自行车的电池一般为 10-20ah，电动汽车的电池一般为 20-200ah。

2. 充电率/放电率

它表示充放电时使用的电流大小。它通常以电池标称容量的倍数来计算，一般称为 "几 C"。

对于容量为 1500mah 的电池，规定的放电电流为 1c = 1500mah。如果以 2c 放电，则意味着以 3000mA 的电流放电。以 0.1c 充放电则表示以 150mA 电流充放电。

3. 电压（OCV：开路电压）

电池电压一般指锂电池的标称电压（也称额定电压）。普通锂电池的标称电压一般为 3.7V，我们也称其为电压平台 3.7V。我们所说的电压一般是指电池的开路电压。

当电池容量为 20-80% 时，电压集中在 3.7V 左右（3.6-3.9v），当容量过高或过低时，电压变化很大。

4. 能源/电力

当电池按照一定标准放电时，电池可放出的能量（E）为 Wh（瓦特小时）或 kWh（千瓦时），1kwh = 1 千瓦时。

物理书中有一个基本概念：e = u * I * t，也等于电池电压乘以电池容量。

功率公式为 p = u * I = E / T，表示单位时间内可释放的能量。单位是 w（瓦）或 kW（千瓦）。

对于容量为 1500mah 的电池，标称电压一般为 3.7V，因此相应的能量为 5.55wh。

5. 阻力

由于存在一定的内阻，充放电不能等同于理想电源。内阻会消耗能量。内阻越小越好。

电池内阻的单位是毫欧（m Ω）。

一般来说，电池的内阻包括欧姆内阻和极化内阻。内阻的大小受电池材料、制造工艺和结构的影响。

6. 周期寿命

电池充放电一次称为一个循环，循环寿命是衡量电池寿命性能的重要指标。

根据 IEC 标准，手机锂电池应在 0.2C 时放电至 3.0V，在 1C 时充电至 4.2V。循环 500 次后，电池容量应保持在初始容量的 60% 以上。换言之，锂电池的循环寿命为 500 次。

根据国家标准，循环 300 次后，容量应保持在初始容量的 70% 左右。

如果电池容量低于初始容量的 60%，则一般视为报废。

7. DOD：排放深度

其定义是电池释放的额定容量的百分比。

一般来说，放电深度越深，电池寿命越短。

8. 截止电压

终止电压分为充电终止电压和放电终止电压，即电池不能继续充电或放电的电压。如果电池在终止电压下继续充电或放电，电池寿命将受到很大影响。

锂电池的充放电终止电压分别为 4.2V 和 3.0V。

严禁对超过终止电压的锂电池充电或放电。

9. 自放电

它指的是在下列情况下容量的下降率以单位时间内容量减少的百分比表示。

一般锂电池的自放电率为 2% ~ 9% /月。

10.   SOC（充电状态）

指电池剩余电量与可放电总电量的百分比，0 ~ 100%。反映电池剩余电量。

 

（5）锂离子电池命名规则

不同 电池 制造商 虽然命名规则各不相同，但我们都遵循通用电池的统一标准。根据电池的名称可以知道电池的大小

根据 IEC61960 标准，圆柱形和方形电池的规则如下：

1. 圆柱形电池，3 个字母后有 5 个数字、

三个字母中，第一个字母表示负极材料，I 表示内置锂离子，L 表示锂金属或锂合金电极。第二个字母表示正极材料，C 表示钴，n 表示镍，m 表示锰，V 表示钒。第三个字母 R 代表圆柱体。5 位数字中，前两位数字代表直径，后三位数字代表高度，单位均为毫米。

2. 方形电池，3 个字母后 6 个数字、

三个字母。前两个字母的含义与圆柱体相同。最后一个字母是 p，意思是正方形。

共有六位数字，前两位表示厚度，中间表示宽度，后两位表示高度（长度），单位也是毫米。

例如，ICR 18650 是一种通用的 18650 圆柱形电池，直径为 18 毫米，高度为 65 毫米；

ICP 053353 是一款方形电池，厚度为 5 毫米，宽度为 33 毫米，高度（长度）为 53 毫米。

（6）锂离子电池技术

不同电池和不同制造商的工艺流程存在一些差异，详细的工艺流程会非常复杂。基本工艺流程、电池制造工艺流程和电池组制造工艺流程如下。

电芯的生产过程主要包括极片制造、电芯制造、电池组装、注液、化成、分离等工序。

从配料到卷绕，正负电极在不同车间同时制作。正负电极制作完成后，后续工序一起完成。中间会穿插不同的质量检测 QA 环节。

（7）锂离子电池的分组和串并联

在不同的领域，对蓄电池的要求也不尽相同。系统对电压、容量、内阻等都有一些特殊要求，往往单个蓄电池无法满足要求，需要串并联起来向外供电。

串联和并联电池的性能由最差电池的性能决定，这通常被称为 "木桶原理"。因此，电池分组最重要的一点是电池性能参数的一致性。

例如，笔记本电脑、电动自行车、电动汽车、储能系统等都需要考虑电池的串联和并联，以组成电池组。

笔记本电池电压一般为 11.1V 或 14.8V，以 18650 电池为主，所以一般为 2 串 3 并或 2 串 4 并。

苹果 iPad 是三块并联的聚合物电池，容量约为 25wh。

电动自行车和电动摩托车系统一般为 24V、36V、48V、60V 和 72V 系统。具体组别条件见下表（s 表示串联）。

纯电动汽车和混合动力电动汽车（EV/PHEV）的电压较高，约为 250 ~ 500V，串联后最高电压将超过 150 节。

此外，电池串并联分组需要考虑很多因素，如电池电压平台的一致性、电池容量的一致性、电池内阻的一致性等。

串并联后电池参数的一致性对电池的性能和寿命有很大影响。

电池组电压	锰酸锂/三元锂	磷酸铁锂
12V	4S	4S
18V	5S	6S
24V	7S	8S
36V	10S	12S
48V	13S	15S/16S
60V	16S	19S
64V	18S	20S
72V	20S	23S

 8）各种动力电池的比较

动力电池主要考虑其用途，主要用于电动汽车、电动自行车、电动工具等。

动力电池不同于普通电池，它有一些特殊的特性

1. 电池的串联和并联
2. 电池容量更大
3. 电池放电率高（混合动力和电动工具）
4. 电池的安全要求更高
5. 电池工作温度范围广
6. 电池使用寿命长，一般为 5-10 年

由于动力电池的特殊性，其工艺和材料也存在一些差异。根据正极材料的情况，主要分为锰酸锂（LiMn2O4）、三元锂（linixcoymnzo2）、磷酸铁锂（LiFePO4）等，其电压平台、能量密度、价格、安全性等都有一定的差异。详见下表中的比较：

(钴酸锂由于稳定性差、价格昂贵，很少用作动力电池，下表对其进行了列举和比较）

项目	规格	钴酸锂	三元锂	锰酸锂	磷酸铁锂
1	出铁密度（g/cm3）	2.8~3.0	2.0~2.3	2.2~2.4	1.0~1.4
2	比表面积（m2/g）	0.4~0.6	0.2~0.4	0.4~0.8	12~20
3	容量密度（安/千克）	135~140	155~165	100~115	130~140
4	电压平台（V）	3.7	3.6	3.6	3.2
5	回收时间	>300	>800	>500	>2000
6	过渡金属	贫穷	贫穷	富人	丰富多彩
7	材料成本	非常高	高	低	低
8	环保	钴	含镍和钴	/	/
9	安全	贫穷	一般情况	良好	优秀
10	应用	小型电池	小型电池、小型动力电池	动力电池	动力电池，超大容量电源

（9）锂电池型号

就电气特性而言，电池的内阻并不完全等同于电阻。详情请参考国外的 PNGV 等效电路模型。如下图所示。

电池的内阻主要由欧姆电阻 R0 和极化电阻 R1 组成，其中 C1 是极化电容。

电池内阻测量在业内主要有两种测试方法。直流放电法和交流注入法，这两种方法无法用普通的电阻测量方法进行测量，只能用专用的内阻测量仪进行测量。

电池的内阻是反映电池性能和寿命的一个重要参数。当电池的循环寿命临近时，电池的内阻会急剧增加。循环次数与内阻之间的关系如下图所示。

10）锂离子电池的电气特性和主要参数

1. 电池的充放电曲线

锂电池的充放电曲线是指电池容量与开路电压之间的关系曲线。根据放电曲线，可以大致估算出电池的功率，如下图所示。

锂电池的充放电曲线不仅与充放电电流有关，还与温度有关。如下图所示。

2. 电池的主要参数

由于自身特性，锂电池不能过充、过放、过流或过热。因此，考虑到安全性和电池寿命，应适当保护电池。有几个经常遇到的参数，现并列列出。不同制造商生产的电池电压差别不大。不过，工作温度不同、放电率不同或制造商不同的蓄电池之间会有一些差异。

比较项目	锰酸锂/三元锂	磷酸铁锂
电压	3.7V/3.6V	3.2V
截止充电电压	4.2V	3.6V
放电截止电压	3.0V	2.0V
运行温度	-20~60℃	-10~65℃
最大放电率	3~10C	3~10C

11）锂离子电池保护和管理要求及系统

由于锂电池的特性，有必要添加电池保护板（PCM）或电池管理系统（BMS）。没有保护板或管理系统的电池是禁止使用的，而且会存在巨大的安全隐患。安全始终是电池系统的第一要务。

如果电池没有得到很好的保护或管理，可能会有寿命缩短、损坏或爆炸的风险。

PCM（电源电路模块）主要用于手机和笔记本电脑等消费类产品。

电池管理系统（BMS）主要用于动力电池，如电动汽车、电动自行车、储能等大型系统。

PCM 的主要功能包括 OVP、UVP、OTP、OCP 等。一旦出现任何异常，系统将自动切断，以确保系统安全。

电池保护系统技术已经非常成熟，相关的电路板工厂很多，主要集中在华南地区。还有专门的 IC 厂商提供专门的锂电池保护芯片。这一块比较成熟，国内也有很多成熟的保护 IC 芯片。

除了保护系统的基本保护功能外，电池管理系统（BMS）的主要功能还包括电池电压、温度和电流测量、能量平衡、SOC 计算和显示、异常报警、充放电管理、通信等。有些 BMS 系统还集成了热量管理、电池加热、电池健康状态（soh）分析、绝缘电阻测量等功能。

介绍和分析 BMS 功能：

1. 电池保护与 PCM 类似，包括过充、过放、过热、过流和短路保护。与普通锂锰电池和三元锂电池一样，一旦任何电池的电压超过 4.2V，或任何电池的电压低于 3.0V，系统将自动切断充电或放电回路。如果电池温度超过电池的工作温度或电流大于电池的放电电流，系统将自动切断电流通路，以确保电池和系统的安全。
2. 整个电池组工作一段时间后，能量平衡会出现很大差异，这可能是由于多个电池串联、电池本身不一致、工作温度不一致或其他原因造成的。能量平衡就是为了弥补单个电池之间的差异，进行一些主动或被动的充放电管理，以确保电池的一致性，延长电池寿命。

业内有两种方法：被动均衡和主动均衡。被动均衡主要是平衡电阻消耗的电量。主动均衡主要是通过电容、电感或变压器将功率大的电池的电量转移到功率小的电池上。被动均衡和主动均衡的比较如下表所示。

由于主动平衡系统相对复杂，成本相对较高，因此主流仍是被动平衡。

比较项目	被动平衡	主动平衡
平衡模式	阻力消耗	感应等效转移
平衡效率	低	高
计划成熟度	发育成熟	更成熟
系统复杂性	低	高
系统成本	低	高

3. SOC 计算、电池电量计算是 BMS 非常重要的一部分，许多系统都需要更准确地了解剩余电量。由于技术的发展，SOC 的计算方法有很多。如果精度要求不高，可以根据电池电压判断剩余电量。主要且准确的方法有电流积分法（也称啊法）、q = ∫ I DT、内阻法、神经网络法、卡尔曼滤波法等。目前业界主流的仍是电流积分法。
4. 通信。不同的系统对通信接口有不同的要求。主流的通信接口有 SPI、I2C、can、RS485 等。汽车和储能系统主要使用 can 和 RS485。

由于竞争不充分和 BMS 系统的复杂性，系统制造商相对较少。相关的芯片制造商主要是欧美厂商，中国也有几家大公司。未来机会很多。

我希望能通过电子邮件与您就 BMS 的技术、产品和制造商进行交流。

（12）锂离子电池充电要求和系统

锂电池的主流充电方式是恒流恒压（CC / CV）：恒流-恒压。先对恒流充电，达到一定电位后再对恒压充电。好的充电器还能根据电池电压状态进行涓流充电。有些系统还会在后面添加脉冲充电模式，并根据时间设置充电结束时间。

普通充电器集成了限流、限压、过压保护、过流保护、过热保护和防反接等功能。具体充电系统如下图所示。

此外，充电器充电通常与 PCM 或 BMS 相结合，以便在恒压充电阶段进行能量平衡。

对于普通钴酸锂电池，如果电池电压低于 3.0V，充电器将启动涓流充电（约 0.1C），以避免损坏电池。当蓄电池电压充至 3.0V 时，将转为恒流充电（约 1C，电流取决于系统）。当蓄电池电压达到 4.1V 时，检测到蓄电池电压转换为恒压充电。当电池电流降至约 0.1C 时，充电完成，充电系统和充电电路关闭。充电曲线如下图所示。

根据功率的不同，充电器采用了不同的控制技术。小功率以线性电源为主，大功率以开关电源为主。充电器的技术已经相当成熟，充电器的性能和效率基本上都能达到比较好的水平。相关的生产厂家也很多。充电器涉及的主要技术主要是电源技术和电池技术。相关厂家以前也做过电源制造。

（13）锂电池的应用领域

电池主要用于消费产品、数码产品、电源产品、医疗和安全领域。

动力	消费电子产品	数字	医疗保健	安全	电热	其他
电动汽车	移动电话	数码相机	掌上心电图仪	消防应急灯	保暖衣物	电子菜单
电动自行车	笔记本	数字视频	生命体征监护仪	监控摄像头	加热布	电动剃须刀
电动摩托车	平板电脑	蓝牙耳机	便携式超声波诊断仪	POS 机	暖手器	无线充电
储能系统	上网本	无线鼠标	便携式血氧仪	无线呼叫	加热鞋垫	军事装备
备用电源	MID	蓝牙键盘	便携式胎音监护仪	无线门铃	保暖手套	油井检测
电动工具	全球定位系统	汽车套件	激光治疗仪	入口警卫系统		探照灯
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