鋰電池特性及BMS系統(tǒng)的作用

一、電池原理及發(fā)展

在看鋰電池原理之前，我們先來看一下堿性干電池的工作原理，從簡單的東西入門，也能夠看出技術的迭代過程，鍛煉創(chuàng)新思維。

干電池的主要工作原理就是氧化還原反應在閉合回路中實現，其化學方程式為：Zn+2MnO2+2NH4Cl=ZnCl2++Mn2O3+2NH3+H2O金屬鋅皮做的筒，也就是負極，電池放電就是氯化氨與鋅的電解反應，釋放出的電荷由石墨傳導給正極碳棒，鋅和氯化氨的電解反應會釋放氫氣，氫氣是會增加電池內阻的，和石墨相混合的二氧化錳可以用來吸收氫氣。對于堿性電池而言，其化學反應是單向的，一旦反應結束，電池就變成了一堆無法再進行新反應的廢物。然而，通過電流的反向流動，我們可以使化學反應的方程式變得雙向。這實際上相當于將電能儲存為化學能，從而推動了可充電的二次電池的發(fā)明。在早期，我們的電子設備主要采用鉛酸電池。這一創(chuàng)新的關鍵在于電池的可逆性，使其能夠在充電和放電之間切換，從而實現反復使用，極大地提高了電池的壽命和效能。這項技術的推動，為電子設備和其他領域的發(fā)展帶來了深遠的影響。

對于鋰電池而言，其基本工作原理與其他電池類似，關鍵區(qū)別在于所使用的反應材料。不同的材料在化學反應后釋放的能量差異很大，因此相較于鉛酸電池，鋰電池具有更高的能量密度和放電倍率。由此帶來的結果是，鋰電池在存儲相同電量的情況下，能夠設計得更小更輕。

在相同的體積和重量下，鋰電池能夠實現更大的電流輸出和更多的電量釋放。這使得鋰電池成為電子設備和移動設備等領域的首選電源，因為它不僅輕便，而且能夠提供更高效的能量輸出。鋰電池的這些優(yōu)勢對于現代便攜式技術的發(fā)展起到了重要推動作用。

二、鋰電池的分類

那么選擇不同的正負極材料就相當于更換了不同的化學方程式，因此他們的性能以及所產生的效果也就不同，因此鋰電池這一個系列，根據材料還可以分成很多細分的種類。

在當前常見的鋰電池量產中，我們可以觀察到各種封裝形式。這里提到封裝形式，類似于芯片一樣，相同的芯片被封裝成不同的形態(tài)，有大有小。鋰電池同樣遵循這一原理，其內部材料可能相似，但為了實現更出色的散熱、制造工藝和空間利用率等目標，進行了多種特殊設計，形成了上述各種不同樣式的鋰電池。以手機和電腦等電子設備中廣泛應用的鋰電池為例，最初采用的封裝形式是鋼殼的鋰電池。然而，由于鋼殼容易發(fā)生爆炸，工藝逐漸演進為鋁殼，并最終發(fā)展為目前廣泛應用于電子設備的鋁塑膜材質的聚合物鋰電池。在一些稍大型設備中，常見的是被稱為圓柱形的18650鋰電池。為什么選擇制作成圓柱形呢？

我們可以聯想到電解電容，它們的機械結構非常相似，都是兩層材料加上隔膜被卷繞起來。由于這種卷繞的加工方式極利于自動化，因此大大降低了成本，在行業(yè)內形成了一個良性循環(huán)。因此，許多新產品選擇采用這種標準的圓柱電芯，通過串并聯的方式組成電池組進行產品設計。

回顧曾經的山寨手機市場，設計各異的鋁殼聚合物電池層出不窮，最終隨著手機市場的變革，產生了大量廢棄物。因此，為了行業(yè)的良性發(fā)展，首先應該確立規(guī)范，初具規(guī)模的企業(yè)更應引領行業(yè)風向，制定或推動這樣的標準。

中間的藍色方型電池和比亞迪的刀片電池（僅拉長形態(tài)），都是行業(yè)對新工藝的嘗試。它們在滿足更高可靠性的前提下，致力于滿足批量生產，進行了創(chuàng)新設計。

三、鋰電池的一些特性

四、鋰電池的一些參數定義

單體電池容量：電池在一定的放電條件下所能給出的荷電保持容量被稱為電池的容量，通常我們使用符號 C 表示。常用的單位為安時（Ah），容量小的電池我們使用毫安時（mAh）。電池的容量可以分為理論容量，額定容量，實際容量，這也是一些國家標準中會設計到的一些定義和標識。

對于理論容量，一般是用來評估某一個體系的電池的最高理論容量的，它是把活性物質的質量按法拉第定律計算而得的最高理論值。其目的是為了比較不同系列的電池，常用比容量的概念，也就是單位體積或者單位質量下，電池所能給出的理論電量，單位為 Ah/kg，mAh/g或者 Ah/L, mAh/cm3。

實際容量是指電池在一定的放電條件下所能輸出的電量，它一般被定義為放電電流在放電時間上的積分，單位為 Ah 或者 mAh，一般由于各種效率和損耗問題，我們的實際容量是小于理論容量的。

額定容量也叫做保證容量，這個就牽扯到了國家或者相關部門頒布的標準，保證電量一般是要求電池在特定的放電條件下應該放出的最低限度的電量。

放電倍率：通常我們會選購電池的時候會涉及到放電倍率這個參數，它指的是放電電流和放電容量之間的倍數關系。比如一個電池單體的容量為 3000mAh，如果這個電芯可以支持持續(xù)放電電流為 6000mA ,那么我們就可以標稱這個電芯支持 2C 的充電倍率，對應的充電也是一樣。

一般情況下，我們拿三元鋰電池舉例，單體電芯的容量在電芯廠進行測試和評估，評估的方法是選取一定樣本量進行放電容量檢測，檢測條件一般設為：室溫 25℃下，先通過 0.2C 的充電倍率進行充電，充電至截止電壓 4.2V 后，靜置一段時間，然后通過 0.2C 的放電倍率進行放電，截止電壓設置在 2.5V。最后計算出累積的放電電量進行統(tǒng)計，形成如上圖所示的正態(tài)分布圖。廠家通常也會提供不同條件下的放電容量。

電池的內阻：電流通過電池內部時會受到阻力，使得電池在放電的時候電壓會出現跌落，這種阻力被稱為電池的內阻，他就是一個非理想的電壓源，隨著負載增大，輸出電壓會降低。電池的內阻不是一個常數，它在放電過程中隨著時間的不斷變化，因為活性物質的組成，電解液濃度的變化，環(huán)境溫度的變化等因素，也一直在變化，因此很難找到一個數學模型來描述電池的內阻，我們一般都是通過測量的方式來評估電芯的內阻。

電池的內阻通常包括歐姆內阻和極化內阻，歐姆電阻遵守歐姆定律；極化電阻會隨著電流密度的增加而增大，他們并不是簡單的線性關系，而是隨著電流密度的對數增大而線性增大。

這個內阻的存在使得電池放電時的端電壓低于電池電動勢和開路電壓，而在充電的時候端電壓高于電動勢和開路電壓。因此我們在通過開路電壓進行電池容量評估的時候，通常會使用這個電阻值進行相應的補償。

電阻的測量通常分為交流內阻測量和直流內阻測量，一般情況下，我們設定的測試條件為：室溫 25 ℃，30%的 SOC。交流采用 1KHz，直流測試選擇 0.1Hz。如下圖為測試的樣本統(tǒng)計數據：