鋰離子充電電池設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

本文將概述如何設(shè)計(jì)鋰離子電池。它將研究電池的兩個(gè)主要組件：電池和電子設(shè)備，并將鋰離子電池化學(xué)與市場(chǎng)上其他類型的化學(xué)進(jìn)行比較，例如密封鉛酸 (SLA)、鎳金屬氫化物 (NiMH)和鎳鎘 (NiCd)，以及它如何影響設(shè)計(jì)。我們將深入探討鋰離子電池的安全方面，以及電池管理系統(tǒng) (BMS) 如何確保電池以安全運(yùn)行的方式使用。未來的文章將深入探討這些方面的每一個(gè)方面。

電池概覽

在當(dāng)今便攜式電子產(chǎn)品的世界中，您一天都離不開鋰離子充電電池。這些電池為您的手機(jī)、智能手表、平板電腦、筆記本電腦、汽車、自行車、家庭和飛機(jī)供電。不幸的是，最近關(guān)于電動(dòng)汽車起火，電池問題的消息凸顯了鋰離子電池的危險(xiǎn)性。市場(chǎng)壓力繼續(xù)以盡可能小的體積推動(dòng)盡可能多的能量加劇了安全問題。鋰離子化學(xué)本質(zhì)上并不安全，因此電池的選擇、制造工藝、電池的電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)于確保電池的安全至關(guān)重要。

電芯是電池的電源。電池有許多不同的尺寸、形狀和化學(xué)成分。電子設(shè)備的主要目標(biāo)是確保電池在其安全操作條件下使用。外殼為電池和電路板提供了一個(gè)外殼，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械完整性。

電池化學(xué)

無論其化學(xué)性質(zhì)如何，電池的基本結(jié)構(gòu)都非常相似。它由四個(gè)主要部分組成：陽(yáng)極、陰極、隔膜和電解質(zhì)。電池的目標(biāo)是產(chǎn)生電子流，從而產(chǎn)生電流，可用于為 LED、燈泡、電子設(shè)備、電機(jī)等供電。

由陰極和陽(yáng)極組成的電極由兩種不同的材料制成。一個(gè)更自由地放棄電子，而另一個(gè)更愿意接受它們。隔板確保陽(yáng)極和陰極不會(huì)接觸(短路)并允許鋰離子流過。電解質(zhì)用于產(chǎn)生氧化/還原過程和離子在陽(yáng)極和陰極之間流動(dòng)的介質(zhì)。

當(dāng)電路完成時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使電池放電。陽(yáng)極材料在負(fù)極端放棄其電子，并圍繞外部電路流向陰極側(cè)。鋰離子同時(shí)通過電解質(zhì)材料從陽(yáng)極流向陰極。在充電過程中發(fā)生相反的情況。

陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)的差異構(gòu)成了不同類型的電池。每個(gè)元素都有其獨(dú)特的特性，這些特性會(huì)影響電池的載流能力、電壓、循環(huán)壽命、儲(chǔ)存壽命、安全性和工作溫度。

鋰離子電池

由于其非常高的能量密度、低維護(hù)要求和出色的循環(huán)壽命性能，鋰離子化學(xué)正在贏得電子行業(yè)未來首選電池化學(xué)的競(jìng)爭(zhēng)。鋰離子電池有三種主要形狀：圓柱形、棱柱形和聚合物。

圓柱形電池有兩種常見的尺寸：18650 和 26650 尺寸。這些電池是鋼或鋁的。尺寸的前兩位數(shù)字是罐的直徑，以毫米為單位，接下來的三位數(shù)字是以毫米為單位的長(zhǎng)度。因此，對(duì)于 18650 電池，直徑為 18 毫米，長(zhǎng)度為 65.0 毫米。這些電池通常用于筆記本電腦電池，并廣泛用于電動(dòng)工具電池。這些電池也出現(xiàn)在許多電動(dòng)汽車中。幾家電池制造商正在尋找 21700 的新圓柱尺寸，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車要求驅(qū)動(dòng)的更高容量(超過 4Ahr)。

棱柱形電池是矩形電池，在老一代手機(jī)(翻蓋手機(jī))中非常流行。許多使用棱柱形電池的應(yīng)用正在被聚合物電池所取代。

聚合物電池用于許多手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和可穿戴設(shè)備。它們有各種不同的形狀和大小。行業(yè)中沒有標(biāo)準(zhǔn)的聚合物尺寸會(huì)導(dǎo)致可用性問題，因?yàn)槿绻麤]有任何大的需求支持，這些電池很快就會(huì)過時(shí)。大多數(shù)聚合物電池尺寸是針對(duì)特定應(yīng)用的定制尺寸。聚合物電池可以具有非常高的能量密度并且還可以提供非常高的電流速率。在聚合物電池中進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮仔細(xì)的機(jī)械設(shè)計(jì)考慮。聚合物電池周圍需要有機(jī)械保護(hù)，以確保它們不會(huì)被刺破或壓碎。此外，外殼需要考慮隨著時(shí)間的推移而膨脹。

鋰離子電池有各種不同的陽(yáng)極和陰極材料組成。每種化妝品都提供了優(yōu)于其他化妝品的特定優(yōu)勢(shì)。需要仔細(xì)選擇電池，以確保將最佳鋰離子化學(xué)物質(zhì)用于應(yīng)用和用例。

電子產(chǎn)品

盡管鋰離子化學(xué)與其他電池化學(xué)相比具有許多優(yōu)勢(shì)，但最大的缺點(diǎn)是其安全性能。如果使用不當(dāng)，鋰離子電池會(huì)產(chǎn)生熱事件。堅(jiān)固的電子設(shè)備和保險(xiǎn)絲需要納入電池設(shè)計(jì)中，以確保其在安全運(yùn)行條件下使用。

如果電池遇到過流、過壓、欠壓、過熱和/或過熱情況，主保護(hù)會(huì)關(guān)閉充電和/或放電。二級(jí)保護(hù)電路是一種冗余保護(hù)功能，可在過壓時(shí)熔斷保險(xiǎn)絲并永久禁用電池。二級(jí)保護(hù)的過電壓整定值高于一級(jí)保護(hù)整定值。僅當(dāng)一級(jí)保護(hù)由于設(shè)計(jì)/制造缺陷而不起作用時(shí)，才會(huì)觸發(fā)二級(jí)保護(hù)電路。需要通過UL2054測(cè)試的電池通常需要二次保護(hù)。

此外，一些電池可能具有電量計(jì)以測(cè)量其剩余容量。有幾種技術(shù)可以做到這一點(diǎn)。最原始和最簡(jiǎn)單的方法是將電壓與充電狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。這有幾個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼪]有考慮溫度、放電電流和電池壽命，這些都會(huì)影響電池容量。實(shí)際上很少有電池使用這種方法。

另一種方法是使用庫(kù)侖計(jì)數(shù)技術(shù)，該技術(shù)跟蹤進(jìn)出電池的電流。初始容量被編程到電池中，當(dāng)它放電時(shí)，它會(huì)通過測(cè)量電流和時(shí)間減去剩余的容量。如果電池正在充電，它會(huì)將其加起來。這是一種比僅僅依靠電壓測(cè)量更準(zhǔn)確的容量測(cè)量方法。庫(kù)侖計(jì)數(shù)的缺點(diǎn)是它需要定期發(fā)生完全放電，以便它“了解”電池需要重新校準(zhǔn)自身的容量。

最常用的測(cè)量方法是使用基于阻抗軌跡的電量計(jì)。這些 IC 實(shí)際上測(cè)量電池上的阻抗，并隨時(shí)間、溫度和使用模式跟蹤它。這些 IC 在報(bào)告容量方面往往比基于電壓或庫(kù)侖計(jì)數(shù)的同類產(chǎn)品更準(zhǔn)確。它們確實(shí)需要事先進(jìn)行電池表征并將數(shù)據(jù)加載到電量計(jì)中。

電池平衡是電池中采用的另一個(gè)功能，可確保電池在整個(gè)使用壽命期間保持平衡并保持平衡。電池不平衡可能是由于電池上的不均勻電流消耗、不均勻的熱負(fù)載和/或工廠中電池匹配不良而導(dǎo)致的。電池不平衡會(huì)縮短電池壽命，在某些情況下可能是安全問題。有兩種常見的電池平衡方法：被動(dòng)和主動(dòng)。無源電池平衡電路使充電量最高的電池放電，而有源平衡電路將電荷從一個(gè)電池轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電池。需要進(jìn)行廣泛的驗(yàn)證以確保電池平衡正常工作。如果配置不正確，它實(shí)際上會(huì)隨著時(shí)間的推移造成電池不平衡并過早地降低電池性能。

總之，鋰離子是一種揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)，與其他電池化學(xué)物質(zhì)相比存在許多安全問題，但高能量密度、高循環(huán)壽命和免維護(hù)操作使得將它們用于為電子設(shè)備供電非常有吸引力。但是，可以通過為應(yīng)用選擇正確的鋰電池以及適當(dāng)?shù)碾姎夂蜋C(jī)械設(shè)計(jì)來管理電池來減輕安全問題。