充電鋰離子電池造成危害的途徑有哪些？智能電池系統(tǒng)的應用
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-03 20:03
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鋰離子電池目前已成為筆記本電腦和手持系統(tǒng)能量來源（電源）的首選。隨著CPU、顯示器和DVD驅動器對電源功率的需求持續(xù)增長，高能量密度的電池組也不斷發(fā)展。同時，大批量制造工藝保證了高能量密度電池組有一個合理的價格水平。
許多新技術，在提高性能的同時也增大了系統(tǒng)的功率消耗。對生產電池的化工企業(yè)來說，電池生產技術的實質性進展是很困難的，耗時長、成本高。所以必須尋找尋找優(yōu)化電源保存的方法。智能電池系統(tǒng)（SBS）是出現(xiàn)的最有希望的技術，可以大大提升電池組的性能。
在計算機工業(yè)界，對鋰離子電池真是又愛又怕。在鋰離子電池應用的早期所發(fā)生的事故，仍然讓曾涉入的公司記憶猶新。他們得到了印象深刻的教訓：在任何情況下，都不能超過鋰離子電池的額定參數(shù)，否則肯定會引起爆炸或起火。
除電池的化學成份或電極等參數(shù)外，對鋰離子電池來說，還有幾個確定的參數(shù)，如果超過了會使電池進入失控的狀態(tài)。在解釋這些參數(shù)的圖表中（參考鋰離子參數(shù)圖），相應閾值曲線外的任一點都是失控狀態(tài)。隨電池電壓增加，溫度閾值下降。另一方面，任何致使電池電壓超過其設計值的行為都會導致電池過熱。
謹防充電器造成危害
電池組制造商設定了幾層電池和包裝保護，以防止危險的過熱狀態(tài)。但在電池使用中有一個部件可能會使這些措施失敗從而造成危害，這一器件就是充電器。
充電鋰離子電池造成危害的途徑有三種：電池電壓過高（最危險的情況）；充電電流過大（過大充電電流造成鋰電鍍效應，從而引起發(fā)熱）；不能正確地終止充電過程，或在過低的溫度下充電。
鋰離子電池充電器的設計人員采取額外的預防性措施以避免超出這些參數(shù)的允許范圍。以絕對保證系統(tǒng)有關參數(shù)工作在安全的范圍內。
例如智能電池充電器規(guī)范，允許-9%的電壓負偏差，但強調正偏差不得超過1%。保證了符合智能電池安全標準。當然，在實際設計中，偏差的正負是隨機的。所以符合此規(guī)范的設計經常是使充電器的目標電壓值設定在額定值的-4%附近。
由于充電電壓的不準確（不管是-4%還是-9%），電池始終處于充電不足的狀態(tài)。對鋰離子電池潛在危險的恐懼導致電池組容量的利用率很低。根據(jù)業(yè)界專家的經驗，即使充電后電壓只比額定值低0.05%，容量的下降卻高達15%。
電池內置入計算機
智能電池技術的原理是很簡單的，在電池內置入小型計算機來監(jiān)視和分析所有的電池數(shù)據(jù)，以精確預報剩余電池容量。剩余電池容量可以直接換算成便攜式計算機的剩余工作時間。與原始的僅靠電壓監(jiān)測的容量測量方法相比，可以立即使工作時間延長35%。
遺憾的是，智能電池技術也就只能做到這么多了。除非可以和充電器電路互相通信，他們不可以確定其操作環(huán)境或對充電過程進行控制。
在“智能電池系統(tǒng)”環(huán)境下，在特定的電壓和電流情況下，電池請求智能充電器對其進行充電。然后，智能充電器負責根據(jù)請求電壓和電流參數(shù)對電池進行充電。
充電器依靠自己內部的電壓和電流參考調整自己的輸出，以與智能電池請求的值相匹配。由于這些基準的不準確度可達-9%，所以充電過程可能在電池只是部分充電的情況下結束。
對充電環(huán)境的更詳細了解可以揭示出更多影響鋰離子電池充電效率的問題。即使在最理想的情況下，假設充電器的精確度為100%，充電通路上位于充電器的電池間的電阻元件引入了額外的壓降，特別是恒流充電階段。這些額外的壓降導致充電過程過早地從恒流進入恒壓階段。
由于電阻引入的壓降隨電流降低會逐漸減弱，充電器最終會完成充電過程。但充電時間會延長。恒流充電過程中能量的轉移效率要高一些。
消除電阻壓降
最理想的情況是充電器的輸出準確地消除了電阻壓降的影響?？赡軙腥颂岢鲞@樣的解決方案，在充電過程的所有階段，智能充電器利用智能電池內監(jiān)測電路數(shù)據(jù)監(jiān)視并校正自己的輸出。對單個電池系統(tǒng)來說，這是可行的，但對雙或多電池系統(tǒng)就不太適用了。
在雙電池系統(tǒng)中，如果可能的話，最好是同時對兩個電池進行充放電操作。雖然電池充電是并行的，典型的只有一個SMBUS端口的充電器還是不能勝任這一工作。因為如果只有一個SMBUS端口，充電器或其它SMBUS設備，只能同時與一個電池進行通信。所以，理想的系統(tǒng)應該提供兩個或更多個SMBUS端口，這樣，兩個電池就可以同時與充電器通信了。
智能電池系統(tǒng)（SBS）管理器
除提供多個SMBUS端口以外，SBS管理器技術也可以大幅提升鋰離子智能電池的性能。SBS管理器是SBS的一部分，由SBS1.1規(guī)范所定義。它代替了前一版本中定義的智能選擇器（Smart Selector)。
SBS管理器一方面提供了與驅動器和振作系統(tǒng)端的接口，另一方面則對智能電池和充電器進行管理。驅動器可讀取和請求發(fā)送與電池、充電器和管理器本身有關的信息。規(guī)范中定義了與這一信息傳輸有關的接口。在一個多電池系統(tǒng)中，SBS管理器負責選擇系統(tǒng)電源，決定在特定的時刻對那一塊電池進行充電或放電。簡短來說就是，SBS管理器確定對哪一塊電池進行充電，哪一塊進行放電，以及什么時候進行。
一個實現(xiàn)得好的SBS管理有幾大優(yōu)點：更完全、更快速的充電過程、同時進行高效充電和放電、以及對危險情況（如潛在的電壓超限）的檢測和快速反應能力。
可以監(jiān)測電池本身電壓的SBS管理器可將電池充到其真實的容量?？梢员苊庥捎谥悄艹潆娖饔捎诒O(jiān)視電壓不準（如前所述，一般為-4%到-9%）而造成的充電不足。此外，這一過程并不需要特別精確的基準電壓（精確的電壓基準是很昂貴的）。
避免使用精確電壓基準的策略是利用智能電池內部的測量電路測量電池電壓，其精度可達1%。這樣，SBS管理器可命令充電器適當增高電壓直到監(jiān)測到的電壓達到合適的值。
實現(xiàn)得好的SBS管理器可使電池的充電過程比傳統(tǒng)充電器快16%。安全地提高充電器的輸出電壓，使其高于電池的額定電壓以補償由于電池的內部電阻及回路電阻造成的壓降。通過監(jiān)測電池內部電壓并可迅速調整充電器電壓，可以實現(xiàn)這一過程。
何時及如何充電
SBS管理器可以決定什么時候同時對電池組進行充電。同時充電允許更好地利用充電器的電流進行充電。在單電池系統(tǒng)中，當進入恒壓充電模式時，充電器提供的充電電流隨電池充滿程度的提高而減小。沒有用到的電流被浪費掉了。在利用SBS管理器的雙電池系統(tǒng)中就不是這樣了，對一塊電池充電時利用不上的電流可以為另一塊所用。
而且，SBS管理器可以判斷哪一塊電池的狀態(tài)可以更快地進行能量傳輸。可以最快地增加系統(tǒng)容量的電池最先被充電，哪些可以充入更多的能量的電池則先被快速放電。這樣可以加快充電過程達60%。SBS管理器還可決定何時使能同時放電功能。適當?shù)耐瑫r放電可以使系統(tǒng)容量增加16%之多。
當然，所有這些改進對電池的性能來說都必須是安全的。正如前面討論過的一樣，鋰離子電池有一額定電壓。當加到電池上的電壓達到最大值時，充電過程從恒流轉換至恒壓模式。對這一轉換點的檢測，是由智能充電SBS管理器負責的，根據(jù)是測量到的電池電壓。但SBS管理器比智能充電器的巨大優(yōu)點是，它可以不斷監(jiān)視和校正充電器以及電池電壓。這樣在達到電池的最大容量的情況下還保證了安全。
由于計算機等設備性能不斷提高，能量的需要增長很快，化學電池的改進還無法趕上這一增長速度。雖然SBS技術非常有幫助，但總會有一天僅靠SBS技術無法提供高性能系統(tǒng)需求的功率，需要更為智能化的電源管理方案。
如果那個OEM廠商可以使筆記本電腦持續(xù)工作6個小時而不會明顯地影響到性能，就會迅速占領市場。SBS管理器朝這一目標邁進了一大步。
據(jù)經濟之聲《交易實況》報道，西部證券研發(fā)中心的馬征今天（27日）做客《交易實況》解讀關注中小板投資機會。馬征認為深圳惠程進軍鋰電行業(yè)的相對競爭優(yōu)勢掌握了聚酰亞胺的納米輕微隔膜試制。
許多新技術，在提高性能的同時也增大了系統(tǒng)的功率消耗。對生產電池的化工企業(yè)來說，電池生產技術的實質性進展是很困難的，耗時長、成本高。所以必須尋找尋找優(yōu)化電源保存的方法。智能電池系統(tǒng)（SBS）是出現(xiàn)的最有希望的技術，可以大大提升電池組的性能。
在計算機工業(yè)界，對鋰離子電池真是又愛又怕。在鋰離子電池應用的早期所發(fā)生的事故，仍然讓曾涉入的公司記憶猶新。他們得到了印象深刻的教訓：在任何情況下，都不能超過鋰離子電池的額定參數(shù)，否則肯定會引起爆炸或起火。
除電池的化學成份或電極等參數(shù)外，對鋰離子電池來說，還有幾個確定的參數(shù)，如果超過了會使電池進入失控的狀態(tài)。在解釋這些參數(shù)的圖表中（參考鋰離子參數(shù)圖），相應閾值曲線外的任一點都是失控狀態(tài)。隨電池電壓增加，溫度閾值下降。另一方面，任何致使電池電壓超過其設計值的行為都會導致電池過熱。
謹防充電器造成危害
電池組制造商設定了幾層電池和包裝保護，以防止危險的過熱狀態(tài)。但在電池使用中有一個部件可能會使這些措施失敗從而造成危害，這一器件就是充電器。
充電鋰離子電池造成危害的途徑有三種：電池電壓過高（最危險的情況）；充電電流過大（過大充電電流造成鋰電鍍效應，從而引起發(fā)熱）；不能正確地終止充電過程，或在過低的溫度下充電。
鋰離子電池充電器的設計人員采取額外的預防性措施以避免超出這些參數(shù)的允許范圍。以絕對保證系統(tǒng)有關參數(shù)工作在安全的范圍內。
例如智能電池充電器規(guī)范，允許-9%的電壓負偏差，但強調正偏差不得超過1%。保證了符合智能電池安全標準。當然，在實際設計中，偏差的正負是隨機的。所以符合此規(guī)范的設計經常是使充電器的目標電壓值設定在額定值的-4%附近。
由于充電電壓的不準確（不管是-4%還是-9%），電池始終處于充電不足的狀態(tài)。對鋰離子電池潛在危險的恐懼導致電池組容量的利用率很低。根據(jù)業(yè)界專家的經驗，即使充電后電壓只比額定值低0.05%，容量的下降卻高達15%。
電池內置入計算機
智能電池技術的原理是很簡單的，在電池內置入小型計算機來監(jiān)視和分析所有的電池數(shù)據(jù)，以精確預報剩余電池容量。剩余電池容量可以直接換算成便攜式計算機的剩余工作時間。與原始的僅靠電壓監(jiān)測的容量測量方法相比，可以立即使工作時間延長35%。
遺憾的是，智能電池技術也就只能做到這么多了。除非可以和充電器電路互相通信，他們不可以確定其操作環(huán)境或對充電過程進行控制。
在“智能電池系統(tǒng)”環(huán)境下，在特定的電壓和電流情況下，電池請求智能充電器對其進行充電。然后，智能充電器負責根據(jù)請求電壓和電流參數(shù)對電池進行充電。
充電器依靠自己內部的電壓和電流參考調整自己的輸出，以與智能電池請求的值相匹配。由于這些基準的不準確度可達-9%，所以充電過程可能在電池只是部分充電的情況下結束。
對充電環(huán)境的更詳細了解可以揭示出更多影響鋰離子電池充電效率的問題。即使在最理想的情況下，假設充電器的精確度為100%，充電通路上位于充電器的電池間的電阻元件引入了額外的壓降，特別是恒流充電階段。這些額外的壓降導致充電過程過早地從恒流進入恒壓階段。
由于電阻引入的壓降隨電流降低會逐漸減弱，充電器最終會完成充電過程。但充電時間會延長。恒流充電過程中能量的轉移效率要高一些。
消除電阻壓降
最理想的情況是充電器的輸出準確地消除了電阻壓降的影響?？赡軙腥颂岢鲞@樣的解決方案，在充電過程的所有階段，智能充電器利用智能電池內監(jiān)測電路數(shù)據(jù)監(jiān)視并校正自己的輸出。對單個電池系統(tǒng)來說，這是可行的，但對雙或多電池系統(tǒng)就不太適用了。
在雙電池系統(tǒng)中，如果可能的話，最好是同時對兩個電池進行充放電操作。雖然電池充電是并行的，典型的只有一個SMBUS端口的充電器還是不能勝任這一工作。因為如果只有一個SMBUS端口，充電器或其它SMBUS設備，只能同時與一個電池進行通信。所以，理想的系統(tǒng)應該提供兩個或更多個SMBUS端口，這樣，兩個電池就可以同時與充電器通信了。
智能電池系統(tǒng)（SBS）管理器
除提供多個SMBUS端口以外，SBS管理器技術也可以大幅提升鋰離子智能電池的性能。SBS管理器是SBS的一部分，由SBS1.1規(guī)范所定義。它代替了前一版本中定義的智能選擇器（Smart Selector)。
SBS管理器一方面提供了與驅動器和振作系統(tǒng)端的接口，另一方面則對智能電池和充電器進行管理。驅動器可讀取和請求發(fā)送與電池、充電器和管理器本身有關的信息。規(guī)范中定義了與這一信息傳輸有關的接口。在一個多電池系統(tǒng)中，SBS管理器負責選擇系統(tǒng)電源，決定在特定的時刻對那一塊電池進行充電或放電。簡短來說就是，SBS管理器確定對哪一塊電池進行充電，哪一塊進行放電，以及什么時候進行。
一個實現(xiàn)得好的SBS管理有幾大優(yōu)點：更完全、更快速的充電過程、同時進行高效充電和放電、以及對危險情況（如潛在的電壓超限）的檢測和快速反應能力。
可以監(jiān)測電池本身電壓的SBS管理器可將電池充到其真實的容量?？梢员苊庥捎谥悄艹潆娖饔捎诒O(jiān)視電壓不準（如前所述，一般為-4%到-9%）而造成的充電不足。此外，這一過程并不需要特別精確的基準電壓（精確的電壓基準是很昂貴的）。
避免使用精確電壓基準的策略是利用智能電池內部的測量電路測量電池電壓，其精度可達1%。這樣，SBS管理器可命令充電器適當增高電壓直到監(jiān)測到的電壓達到合適的值。
實現(xiàn)得好的SBS管理器可使電池的充電過程比傳統(tǒng)充電器快16%。安全地提高充電器的輸出電壓，使其高于電池的額定電壓以補償由于電池的內部電阻及回路電阻造成的壓降。通過監(jiān)測電池內部電壓并可迅速調整充電器電壓，可以實現(xiàn)這一過程。
何時及如何充電
SBS管理器可以決定什么時候同時對電池組進行充電。同時充電允許更好地利用充電器的電流進行充電。在單電池系統(tǒng)中，當進入恒壓充電模式時，充電器提供的充電電流隨電池充滿程度的提高而減小。沒有用到的電流被浪費掉了。在利用SBS管理器的雙電池系統(tǒng)中就不是這樣了，對一塊電池充電時利用不上的電流可以為另一塊所用。
而且，SBS管理器可以判斷哪一塊電池的狀態(tài)可以更快地進行能量傳輸。可以最快地增加系統(tǒng)容量的電池最先被充電，哪些可以充入更多的能量的電池則先被快速放電。這樣可以加快充電過程達60%。SBS管理器還可決定何時使能同時放電功能。適當?shù)耐瑫r放電可以使系統(tǒng)容量增加16%之多。
當然，所有這些改進對電池的性能來說都必須是安全的。正如前面討論過的一樣，鋰離子電池有一額定電壓。當加到電池上的電壓達到最大值時，充電過程從恒流轉換至恒壓模式。對這一轉換點的檢測，是由智能充電SBS管理器負責的，根據(jù)是測量到的電池電壓。但SBS管理器比智能充電器的巨大優(yōu)點是，它可以不斷監(jiān)視和校正充電器以及電池電壓。這樣在達到電池的最大容量的情況下還保證了安全。
由于計算機等設備性能不斷提高，能量的需要增長很快，化學電池的改進還無法趕上這一增長速度。雖然SBS技術非常有幫助，但總會有一天僅靠SBS技術無法提供高性能系統(tǒng)需求的功率，需要更為智能化的電源管理方案。
如果那個OEM廠商可以使筆記本電腦持續(xù)工作6個小時而不會明顯地影響到性能，就會迅速占領市場。SBS管理器朝這一目標邁進了一大步。
據(jù)經濟之聲《交易實況》報道，西部證券研發(fā)中心的馬征今天（27日）做客《交易實況》解讀關注中小板投資機會。馬征認為深圳惠程進軍鋰電行業(yè)的相對競爭優(yōu)勢掌握了聚酰亞胺的納米輕微隔膜試制。
主持人：深圳惠程進軍鋰電池領域了，您怎么看？未來它的業(yè)績會有多大的提升？
馬征：深圳惠程這家公司本身是掌握核心技術的新材料公司，核心競爭能力是化學品叫做聚酰亞胺，這是耐高溫高分子材料，這個材料的應用領域很廣泛，主要是高溫除塵、微電子、航天軍工等領域。在這上面以前只有國外，就是美國的杜邦公司掌握核心技術，國內基本上是完全依賴進口的。但是深圳惠程最近在聚酰亞胺領域取得了突破性的進展，已經掌握了核心的支配技術，將用公司自身特有的生產技術來代替合成的路線，從量產過程預測他理論成本將比國外傳統(tǒng)的成本降低30%左右，所以目前的產品競爭力比較強的。
今年公司將投資4500萬增資然后開發(fā)動力鋰電池項目，實際上近兩年的鋰電池板塊已經有很多的公司在做，但是對它來說，相對的競爭優(yōu)勢掌握了聚酰亞胺的納米輕微隔膜試制，這對于鋰電池降低成本然后提高能量密度、提高電池本身的功率等都有作用，在這個電池技術性能和持久性上具有一定的技術優(yōu)勢。我認為，這個是他未來核心的競爭優(yōu)勢。
最近，公司披露的一季報實現(xiàn)營業(yè)收入是5個億，然后較去年增長26%。根據(jù)目前市場對于這家公司的整體預測，今年整個市場的盈利趨勢將會繼續(xù)保持10%以上的增長。同時，我認為鋰電池領域在將來有可能會出現(xiàn)一些突破性的進展。
未來5-10年電動汽車將逐漸走向成熟，并由此成為鋰電池的殺手級應用。鋰電池作為核心部件，行業(yè)規(guī)模將有百倍以上的增長。我們給予鋰電池材料行業(yè)“增持”評級，建議穩(wěn)健型投資者，優(yōu)選電解液;積極型投資者，優(yōu)選隔膜。我們重點推薦佛塑股份、新宙邦、江蘇國泰、當升科技，同時長期關注杉杉股份、多氟多。
電動汽車的推廣將帶動鋰電池相關材料需求爆發(fā)性增長。作為刺激經濟和節(jié)能減排的有效手段，電動汽車成為各國政府政策扶持的重點，鋰電池電動汽車將成為未來主流。綜合技術、產品盈利能力和需求增長幅度，我們對各子行業(yè)排序如下：從技術成熟度考慮，電解液>磷酸鐵鋰=六氟磷酸鋰>隔膜;從產品收益率考慮，隔膜>六氟磷酸鋰>磷酸鐵鋰>電解液;從動力電池帶來的需求增長空間考慮，磷酸鐵鋰>隔膜>電解液=六氟磷酸鋰。
鈷酸鋰仍舊占據(jù)正極材料大部分市場份額，但增速會逐漸下降。傳統(tǒng)鋰電池領域，錳酸鋰和三元材料將有較大發(fā)展空間，而動力電池領域國內主要以發(fā)展磷酸鐵鋰為主。目前磷酸鐵鋰主要難點在于提高產品一致性。
電解液對電解質六氟磷酸鋰的純度要求極高，因此游離酸和雜質控制是生產六氟磷酸鋰的關鍵，具有氟化工經驗的企業(yè)擁有一定優(yōu)勢。目前國內市場主要被少數(shù)幾家日本企業(yè)壟斷，江蘇國泰和多氟多正在進行中試，有望取得突破。鋰電池電解液的技術核心是配方，進入壁壘相對較低，主要考驗公司的技術服務能力。
隔膜是鋰電池材料中技術壁壘最高，盈利也最高的。目前國內僅4 家能夠生產普通鋰電池隔膜，進口依存度高達80%以上，而干法工藝生產的動力電池隔膜，國內還沒能夠實現(xiàn)國產化。
