剖析电池内部结构和机理

2016-11-22  by:CAE仿真在线  来源:互联网

一、何为电池

二、电池的工作原理

三、电池的分类

四、电池产品注意事项

一、何为电池

把化学能转换为电能的装置。两个具有电位差的金

属片在电解质溶液中,受电位差的影响,负离子从低电

位极片(负极)流向高电位极片(正极),正离子从正

极流向负极,从而形成持续的电流。

1.2何为一次电池,二次电池?

一次电池是指:不能充电和重复使用的电池叫一次电池,如锌锰干

电池、扭扣电池等用完一次就废弃的电池

二次电池是指:可以多次充放电使用的电池叫二次电池,如镍镉电

池、锂电池等。手机电池也属于二次电池。

二、电池的工作原理

1.1 电池基本原理(锂离子电池为例)

锂离子电池的正极材料是氧化钴锂,负极是碳。
锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时,
电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极而
作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,到达负极的锂离子就嵌入到
碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。

同样道理,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回到正极。回到正极的锂离子越多,放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。不难看出,在锂离子电池的充放电过程中,锂离子处于从正极 → 负极 → 正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就象优秀的运动健将,在摇椅的两端来回奔跑。所以,专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。

电池基本性能

电压:指电池在断路(即电流没有通过两极时)电池两极的电位之 差称之为电池的开路电压 。
内阻:指电流通过又叫电池内部所受的阻力,全内阻。
寿命:电池经受一次充电和放电过程叫一个循环或一个周期。一般国产锂电芯循环寿命能做到400次左右,有些优质电芯能达到500次左右(国家标准规定循环300次即可)。
容量:指在一定放电制度下(即在一定的放电电流、终止电压及环境条件下)电池所释放的电量。(1400mAH意思就是用1400mA电流放电可放一个小时)
保护功能:有过流保护、过充保护、短路保护、过放保护

电池保护电路(PCM)

锂电池(可充型)之所以需要保护,是由它本身特性决定的。由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电,因此锂电池锂电组件总会跟着一块精致的保护板和一片电流保险器出现。(镍电一般情况下只需温度及过流保护,通常情况下无PCM板)

锂电池的保护功能通常由保护电路板和PTC等电流器件协同完成,保护板是由电子电路组成,在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流,及时控制电流回路的通断;PTC在高温环境下防止电池发生恶劣的损坏。

过放保护

单节锂离子电池的终止放电电压为2.5V~2.75V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压,各参数略有不同)。低于终止放电电压继续放电称为过放,由于电池本身存在自放电的特性,因此即使放置情况下不使用,依然可能因为长期放置而过分被耗电,造成电池性能劣化、寿命缩短甚至漏液。因此锂二次电池通常设有过放保护,当IC检测电芯电压降至临界点(如2.25V),即启动过度放电保护,将功率 MOS 由开转为切断,此电池无电压输出。

过流&短路保护

过流保护:为了防止电池的外部五金被导体连接短接在一起,而直接影响到电池的寿命。

短路保护:为防止电池的外部受到导体把电池的正负极连接后造成短路,保证安全性能。

工作原理:当放电时或正负极遭金属物误触造成过电流或短路,为确保安全,立即停止放电。

电阻
识别电阻/码片:由于手机/数码相机以及各种设备在开机时需要得到一个验证码值进行识别。

胶壳
电池的外壳是决定电池与设备适配的一个接触件。通常外壳是由PC、PS、ABS等塑胶注塑而成。

辅料

辅料一般是指:镍片、线材、块巴纸、青稞纸、PTC

PTC作用:PTC是Positive Temperature Coefficient 的缩写,意思是正的温度系数,泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件.通常我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻,简称PTC热敏电阻,是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻,超过一定的温度(居里温度)时,它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。

镍片、线材:在电池中一般起连接导通作用。

块巴纸、青稞纸、皱纹胶:在电池中一般起绝缘作用。

电池充电阶段分为恒流充电和恒压充电两个部分
恒流充电阶段属快速充电阶段,在此充电条件下电池已恒定的电流快速对电池进行充电,电池的电压只要达到额定电压值(以4.2V额定电压的电池为例)4.2V时就会结束恒流充电部分。但是,在电压达到了额定电压的条件下电池实际上并未充满电(锂离子依旧在向负极移动),电池需要进入恒压充电阶段来彻底激活活性电子li以达到满充的目的。充电中温度低于75 ℃。

恒压充电,顾名思义,是在恒定电压下对电池进行充电的阶段。恒压充电是以电流的变化来衡量是否充满电。通常设置的恒压满充截至电流为电池容量的1%-2%(0.01C-0.02C)

电池放电特性和自放电

在电池的正负极中间加载了任何有阻值的导电体就会形成电池的放电动作。但是因电池的本身特性不一样我们在对电池进行放电时要按照其本身性质进行合理倍率放电(电池本身支持的最大电流值)。下图所示为电池基础放电动作和过流保护工作状态。其中放电过程温度低于85 ℃,电池自放电频率为0.02%C/day。

下图为模拟的一个电池包放电工作状态,其中电池的额定电压为4.2V,标称容量为1800mAh。支持放电倍率为2C(3.6A)。那么图示一即为可正常工作模式。

电芯的分类

电芯分为:锂离子电芯、镍镉、镍氢。
锂离子电芯分为:钢壳电芯、铝壳电芯、聚合物电芯、圆柱形电芯。

电池产品的组装工艺
电池产品的基本组成
电池组成由:电芯、连接片、保护板、胶壳、五金、商标及相关绝缘材料。

在几乎所有使用电池的设备中,你都不可能一次仅使用一个电池单元。通常

需要将电池单元串联在一起形成更高的电压,或将其并联在一起形成更高的电

流。使用串联结构可以增加电压,使用并联结构可以增加电流,下图显示了这

两种结构。电池的电压单位为伏特(V),容量为毫安时(mAh)。

1A=1000mA 1V=1000mV

欧姆定律:I=U/R

功率:P=IU=I2R=U2/R

1000mAh=1000mA放电电流可持续一个小时

I:电流 (A) U:电压(V) P:功率(W)

电芯串=单个电芯容量,电压为各电芯电压之和

电芯并=各电芯容量之和,电压为单个电压值
W=Pt=1W * 1s=1J ,表示一个一瓦的用电器在一秒内消耗能量1焦耳
W=Pt=1kW*1h=1kWh,表示一个一千瓦的用电器在一小时内消耗能量一度电
例如:
P=UI=220V*0.18A=40W,表示一个灯泡接在220V交流电上的功耗是40W
W=Pt=40W*1h=0.04kWh,表示这个灯泡在一小时内耗电0.04度
电池产品组装流程示例:

主要测试项目:

1.内阻;

2.电压范围;

3.过流保护值;

4.电阻;

5.短路保护

一般的锂离子二次电池,从安全性的观点出发,都会使用组装电池盒。

组装电池盒(以下简称电池),是与锂离子二次电池的保护回路、不容易分解的树脂

外壳进行组合的。锂离子二次电池在使用时,要请注意以下的使用条件。

1、对于充电:请用额定电压额定电流的方式对锂离子二次电池进行充电。
(1) 充电电压: 4.2V±0.05V/cell为充电最大电压。多个电芯串联为组的情况下, 4.2V±0.05V×串联电芯数为充电最大电压。

(2) 充电电流:请设计在0.2~1CmA的范围内。考虑到充电时间和电池的劣化现象,推荐使用0.7CmA。请不要使用最大充电电流以上的电流进行充电。

(3)充电温度:请在0℃~45℃的环境温度范围内进行充电。45℃以上的温度,是导致寿命性能低下的原因。另外,请安置在不容易使充电器受到发热影响的地方。

(4)逆充电:因为和安全性息息相关,所以一定要注意电池的+-极,绝对不要进行逆充电。

(5)续足充电:根据充电电压和温度环境,有可能会对电池性能带来显著的影响。

2、关于放电
(1)放电电流:根据电池的类型,请使用与之相对应的最大放电电流以下的电流。

(2)放电温度:请在-20℃~+60℃的环境温度下进行放电。
(3)放电终止电压:基本来讲,请将放电终止电压设置在3.0V/cell以上。过放电(2.0V/cell以下)会成为使电池性能劣化的原因,所以,请不要进行过放电。

3、关于电池的保存

长期保存的情况下,由于会导致电池的性能低下,所以,请在放电状态(30%~50%左右的电池容量)下,避开高温场所进行保存。要经过一年以上长期保存的情况,为了防止过放电,请进行一年一次的充电。

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