電池基電源處理體系包括哪些？介紹電池基體系地應用領域
來源：寶鄂實業(yè)
2019-07-07 18:10
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電池基體系廣泛地應用在蜂窩電話、PDA游戲機、醫(yī)療儀器等范疇。這些體系需求有用的電源處理以便使設備規(guī)范和電池壽數最佳化。
電池基電源處理體系包括電池和為體系供給電源的穩(wěn)壓電路。首要的規(guī)劃政策包括：
功用和充電時間間隔政策，要經過有用的體系規(guī)劃，使電池規(guī)范最小、重量最輕。
在寬輸入電壓范圍內供給適宜的安穩(wěn)輸出電壓，在電池電壓下降時電池基體系能正常地作業(yè)。
要求電源處理體系減小印刷電路板巨細。
功率處理體系最小熱耗，應消除雜亂的熱處理，熱處理睬添加重量和本錢。
電源處理體系最佳化的電路布線，應防止電磁攪擾。
高可靠性的電源處理體系。
電池挑選為了滿足上述的規(guī)劃政策，電源處理體系的規(guī)劃從電池開始。電池類型有一次電池（或非從頭充電電池）和可從頭充電電池。
一些盛行的可從頭充電電池包括：
鎳鎘（NiCd）電池具有壽數長，高放電率和價格便宜。利益是簡略的充電特性，能飽嘗多次充電/放電。
鎳氫（NiMH）電池：與NiCd電池比具有較高能量密度，可是要以下降壽數為價值，其能量密度比NiCd高30%~40%。NiMH儲存效應比較小。充電時，NiMH選用更雜亂的充電算法并消耗一些熱量，因此，所需的充電時間比NiCd長。
鋰離子（Li-ion）電池：具有高能量密度并且重量輕。當今鋰電池以單位重量的最大電化學勢能和最高能量密度而處于電池的中心方位。鋰離子電池是安全的，它在充電和放電時能供給必定的安全措施。其能量密度是規(guī)范NiCd電池的2倍。別的，它具有高容量，其負載特性是恰當好的，放電特性相似于NiCd。它恰當高的電池電壓（2.7~4.2V）使得許多Li-ion電池組只要一個電池組成。壽數為300充電/放電周期，在500周期為50%容量?？墒?，Li-ion電池需求維護電路，維護電路在充電期間綁縛每個電池的峰值電壓，并阻撓放電時電壓下降太低。維護電路不只綁縛最大充電和放電電流，并且監(jiān)控電池溫度。在處理和查驗Li-ion電池時應當心短路、過充電、壓碎、敲擊、損壞、穿入、反向極性、暴露在高溫或折開電池。
只用帶規(guī)劃有維護電路的Li-ion電池。
電池（battery）指盛有電解質溶液和金屬電極以發(fā)生電流的杯、槽或其他容器或復合容器的部分空間。跟著科技的行進，電池泛指能發(fā)生電能的小型設備。如太陽能電池。電池的功用參數首要有電動勢、容量、比能量和電阻。
電池的功用參數首要有電動勢、容量、比能量和電阻。電動勢等于單位正電荷由負極經過電池內部移到正極時，電池非靜電力（化學力）所做的功。電動勢取決于電極材料的化學性質，與電池的巨細無關。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時作單位。在電池反響中，1千克反響物質所發(fā)生的電能稱為電池的理論比能量。電池的實踐比能量要比理論比能量小。由于電池中的反響物并不全按電池反響進行，一起電池內阻也要引起電動勢降，因此常把比能量高的電池稱做高能電池。電池的面積越大，其內阻越小。
電池的能量儲存有限，電池所能輸出的總電荷量叫做它的容量，通常用安培小時作單位，它也是電池的一個功用參數。電池的容量與電極物質的數量有關，即與電極的體積有關。
有用的化學電池可以分紅兩個根本類型：原電池與蓄電池。原電池制成后即可以發(fā)生電流，但在放電結束即被扔掉。蓄電池又稱為二次電池，運用前須先進行充電，充電后可放電運用，放電結束后還可以充電再用。蓄電池充電時，電能轉換成化學能；放電時，化學能轉換成電能的。
鋰聚合物（Li-Pol）電池：能量密度與Li-ion電池相似，但運用較安全，并且有較好的封裝靈活性。Li-Pol電池與Li-ion不同的當地是制造穩(wěn)固性、安全性和薄外形幾何形狀。不像Li-ion電池那樣，不存在易燃性的風險。由于Li-Pol的電極是疊層式的。
一些電池組包括一個集成IC維護電路。此IC防止或許導致過熱的大電流。鋰離子電池組中的電池需求獨自的電壓監(jiān)控。串聯聯接的電池越多，其維護電路就越雜亂。留心：不要放電低于2.5V的鋰基電池，不然，就堵截電池的維護電路。
一切的電池都會自放電。自放電關于鎳基電池是最明顯的。通常在充電之后的第一個24小時，鎳基電池放電其容量的10%~15%，這今后的放電率是每月10%~15%。Li-ion自放電在第一個24小時大約為5%，這今后為1%~2%。
鋰電池在使用過程中會遇到不同的環(huán)境，在冬季中國北部地區(qū)溫度常常低于0℃甚至-10℃。將電池的充放電溫度降低到0℃以下時，鋰電池充放電的容量和電壓將會急劇降低。這是因為，鋰離子在低溫下在電解液中、SEI中、石墨顆粒中的遷移率降低了。這樣苛刻的低溫環(huán)境必然會帶來高比表面積鋰金屬的析出。
高比表面積鋰析出是鋰電池失效機理中一個最為關鍵的原因，同時也是導致電池安全性的一個重要問題。這是因為其具有特別大的表面積，鋰金屬本來就特別活躍易燃，高表面積的枝晶鋰更是有點濕空氣就可以燃燒。
隨著電動汽車中電池容量的提高，續(xù)航里程的提升以及電動車市場占有率的不斷提高，對于電動車的安全性則要求越來越嚴格。在低溫環(huán)境下，動力電池性能會有哪些變化？其安全性方面有哪些值得注意的？
1.18650低溫循環(huán)實驗及電池拆解分析
將18650電池（2.2A，NCM523/石墨體系）在一定的充放電機制下進行0℃下低溫仿真循環(huán)。充放電機制是：CC-CV充電，充電倍率為1C，充電截止電壓為4.2V，充電截止電流為0.05C，之后CC放電到2.75V。由于一般將電池SOH為70%-80%時定義為一個電池的終止狀態(tài)（EOL）。故本實驗選擇電池SOH為70%時電池終止使用。在以上條件下電池的循環(huán)曲線如圖1（a）所示，通過對循環(huán)后電池及未循環(huán)的電池的極片和隔膜進行Li MAS NMR分析，化學位移結果見圖1（b）。
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圖1.電池循環(huán)曲線及Li MAS NMR分析
低溫循環(huán)前面幾個循環(huán)容量出現上升，隨后出現穩(wěn)步的下降，循環(huán)次數不足50次SOH就降到了70%以下。拆解試驗后電池發(fā)現，負極極片表面有一層銀灰色物質，猜測為鋰金屬在循環(huán)后的負極材料表面沉積了。通過對兩個實驗對比組電池進行Li MAS NMR分析，結果如圖b也進一步進行了確認。
在0ppm時有一個較寬的峰，說明此時鋰存在于SEI中，循環(huán)后電池在255 ppm時出現了第二個峰，可能就是鋰金屬析出于負極材料表面形成的。為了進一步確認，是否真的出現了鋰枝晶，對其進行了SEM形態(tài)觀察，結果如圖2所示。
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圖2. SEM分析結果
通過比較a圖和b圖，可以看到b圖中有一層厚厚的物質形成，但是這層物質還沒有把石墨顆粒完全遮蓋起來。將SEM倍率進一步放大，觀察D圖看到了稠密的薄片狀物質間有針狀的物質，這個物質可能就是高比表面積鋰（也就是常說的枝晶鋰 ）。此外，鋰金屬沉積層是朝著隔膜的方向成長的，其厚度可以通過與石墨層厚度比較來觀察到。
沉積鋰的形態(tài)是什么樣取決于很多因素。例如表面的無序度、電流密度、充電狀態(tài)、溫度、電解液添加劑、電解液組成、外加電壓等等。其中，低溫條件下的循環(huán)和高的電流密度是最容易形成稠密的高比表面積鋰金屬的。
2.電池極片熱穩(wěn)定性分析
研究者利用TGA對未循環(huán)的電池極片和循環(huán)后電池極片進行分析，如圖3所示。
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圖3.負極和正極極片TGA分析（a.負極b.正極）
由上圖可以看出，未使用的電極出現三個重要的峰分別在T≈260℃、450℃和725℃，說明在這幾個位置處出現了劇烈的分解、蒸發(fā)或升華反應。而使用后的電極，在33℃和200℃處出現了明顯的質量損失。低溫下的分解反應是由SEI膜分解引起的，當然也跟電解質成分等因素有關系。高比表面積鋰金屬的析出導致大量的SEI膜在鋰金屬表面形成也是電池在低溫循環(huán)下大量質量損失的一個原因。
SEM并不能看出循環(huán)實驗后正極材料在形態(tài)上有什么變化，TGA分析可以得知在400℃以上時有較高的質量損失。這個質量損失可能是由正極材料中鋰的減少導致的。如圖3（b）所示，隨著電池老化，NCM正極中Li的含量是逐漸減少的。SOH100%的正極極片損失4.2%，SOH70%的正極極片質量損失為5.9%?？傊诮涍^低溫循環(huán)后無論正極極片還是負極極片，其質量損失率都增加了。
3.電解液電化學老化分析
低溫環(huán)境對電池電解液的影響是通過GC/MS分析的。分別從未老化電池和老化后電池中取出電解液樣品，GC/MS分析結果如圖4所示。
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圖4.GC/MS和FID-MS測試結果
未低溫循環(huán)電池的電解液包含DMC、EC、PC，此外還有FEC、PS、SN作為外加劑以提高電池性能。在未循環(huán)電池和循環(huán)后電池中，DMC、EC、PC的量是一致不變的，循環(huán)后電解液中添加劑SN（抑制高電壓下正極電解液氧化分解）有所降低，因此在低溫循環(huán)下正極局部過充是其原因。BS和FEC是SEI成膜添加劑，促進形成穩(wěn)定的SEI膜，此外FEC還可以提高電池循環(huán)穩(wěn)定性和庫倫效率。PS可以增強負極SEI熱穩(wěn)定性。圖中可以看出，PS的量并沒有隨著電池老化而減少。FEC量有急劇的減少，SOH為70%時甚至看不到FEC了。FEC的消失是因為不斷重建SEI造成的，而反復重建SEI又是Li不斷析出在負極石墨表面引起的。
電池循環(huán)后電解液的主要產物是DMDOHC，其合成是與SEI的形成相一致的。因此圖4a中大量的DMDOHC意味著大面積SEI的形成。
4.未低溫循環(huán)電池的熱穩(wěn)定性解析
在準絕熱條件呵和HWS模式下，對未低溫循環(huán)的電池和低溫循環(huán)的電池進行ARC（加速量熱計）測試，從ARC-HWS結果來看，放熱反應是由電池內部引起的，而跟外部環(huán)境溫度無關，電池內部的反應可以分為三個階段，
在隔膜熱化過程和電池爆炸過程中，會出現部分吸熱，但是隔膜熱化吸熱對于整個SHR來說是非常低的，的放熱反應來自SEI的分解，隨后熱感應誘導到達石墨表面，然后電子減
圖6.ARC-HWS結果解釋a.熱失控溫度，b.CID啟動，c.熱失控初始溫度d.放熱反應初始溫度
未低溫循環(huán)的電池初始放熱反應（OER）開始于90℃附近，成直線增長至125℃，并伴隨著SOC的降低，說明OER極度依賴于負極中鋰離子的狀態(tài)。對放電過程電池來說，分解反應中最高的SHR(自加熱速率)是在160℃左右產生的，在高溫下SHR會降低，因此確定了插層鋰離子的消耗在負極。
只要負極有足夠的鋰離子，就能保證被破壞的SEI能被重建。正極材料熱分解會釋放出氧氣，跟電解液發(fā)生氧化反應，最終導致電池熱失控的行為。在高SOC下，正極材料處于高脫鋰態(tài)，此時的正極材料結構也是最不穩(wěn)定的。隨之發(fā)生的是電池的熱穩(wěn)定性就下降了，氧氣釋放量增多，在高溫下正極與電解液之間的反應占據主導地位。
4.產氣過程中的能量釋放
通過對循環(huán)后電池進行分析，可以看到在32℃附近SHR開始呈直線增長。在產氣過程中伴隨著能量的釋放，主要是由分解反應引起的，起初一般被人任務是電解液的熱分解。
高比表面積鋰金屬在負極材料表面析出，可以通過以下方程式表述。
在公示中Cp為比熱容，△T代表在ARC測試中分解反應導致的電池自加熱溫升總和。
在ARC實驗中30-120℃間的未循環(huán)電池比熱容被測試。放熱反應發(fā)生在125℃，且電池處于放電狀態(tài)，沒有其他放熱反應對其進行干擾。在此實驗中，CP與溫度呈線性關系，如下方程。
在整個反應中能量釋放的總量可以通過對比熱容積分得到，每個電池在低溫下的老化可以釋放出3.3Kj的熱量。在熱失控過程中的釋放的能量無法算出。
5.針刺實驗
為了確認電池老化對電池短路實驗的影響，進行了針刺實驗。
由圖可知對放電完成后的老化后電池和新的電池（SOC 0%）進行針刺實驗，兩者只有10℃-20℃的微小區(qū)別。對于老化后電池，在絕熱條件下，其絕對溫度達到T≈35℃，這與SHR≈0.04K/min是相符合的。
未老化的電池SOC為50%時在30s后達到了最大的溫度120℃，釋放的焦耳熱不足以達到這樣的溫度，SHR超過了熱擴散的數量。在SOC為50%時，老化后電池對熱失控具有一定的延遲作用，當針刺入電池時溫度急劇升高至135℃。在135℃以上時，SHR增加引發(fā)了電池的熱失控，電池表面溫度升高至400℃。
對充滿電的新電池進行針刺實驗則出現了不一樣的現象，一些電池直接熱失控了，一些電池表面溫度保持低于12
從兩個問題開始和大家討論一下系統(tǒng)安全
為什么需要安全設計？
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安全設計包括那些內容？
電氣安全設計：電池組一般電壓比較高，輸出功率高；
化學安全設計：單體電芯化學特性受倍率，溫度等多種因素影響；
機械安全設計：汽車行駛受到振動，顛簸，碰撞；
功能安全設計：電池管理系統(tǒng)功能復雜，需要安全冗余設計；
其他運輸，法規(guī)設計：包裝，運輸等要求；
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動力電池系統(tǒng)組成
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??動力系統(tǒng)構建關鍵技術
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一、電芯技術
電芯類別分為軟包，鋁殼方形，圓柱。比容量上圓柱形最高，依次軟包，方形。軟包和方形加工工藝上可以疊片也可以卷繞，疊片就像夾心餅干一樣把正極片，隔膜，負極片裁剪好疊在一起裝殼。卷繞式像衛(wèi)生紙筒一樣把正極片，隔膜，負極片三層一起卷成圓柱然后裝殼。制作工藝圓柱形最為簡單。以下列舉幾家廠商生產的三元（鎳鈷錳）材料單體電芯對比。
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二、集成技術
公司現有集成方案或技術
圓柱電芯（電芯級能量密度高，松下、比克等）
軟包電芯（電芯級能量密度高， LG、 A123等）
硬殼電芯（易于成組集成，便于熱管理布置， CATL、三星等）
車型規(guī)劃
純電動EV、混合動力HEV、 PHEV等，決定電芯類型為能量型或者功率型
車輛的續(xù)駛里程，決定需要的總電量；車輛的電壓平臺，決定了單體需要的容量；（快）充放電功率需求等；
整車初步給出的初步布置位置及空間，決定了電池包的尺寸及冷卻類型（電芯最大高度，是否主動冷卻）
供應商考核與選擇
供應商現有產品及未來5年的產品規(guī)劃（是否需要滿足能量/功率密度要求、尺寸要求，決定是否需要重新開發(fā)）
目標產品是否滿足產能規(guī)劃、價格優(yōu)勢、先進技術條件等，決定是否能成為戰(zhàn)略供應商
目標產品或類似產品，電芯/模組摸底實驗（性能<不同溫度容量、功率、電阻、一致性>）、循環(huán)壽命、濫用安全）
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基本構成：
上下箱體
零部件支架
緊固件等
基本要求：
通過前期仿真驗證
滿足規(guī)定的設計性能要求
滿足國標GBT31467.3 機械部分要求
滿足企業(yè)內部標準要求，滿足ADVP實驗指標
滿足產品成型性要求，產品應該易加工成型，滿足成本要求
滿足輕量化設計要求，保證電池的集成效率優(yōu)勢（>60%~70%）
上蓋有一定結構強度要求并且要為MSD（手動維修開關/保險絲）留好接口
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下殼主要承載電池組重量同時停供與車身連接接口
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電池包機械方面結構體需要滿足
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電氣方面由高低壓線束及接插件（含模組采集ICB）、繼電器總成BDU（含子回路保險絲）、手動維修開關MSD（含主保險絲）構成；
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基本要求:
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三、電氣設計要點
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高壓熔成本遠高于低壓熔絲之原因
結構、材料差異
制程差異：
高壓熔絲目前為半自動化生產，人工成本占比較大；
低壓熔絲已實現全自動化生產。
出貨量差異
高壓熔絲月出貨低于1百萬件；
低壓熔絲月出貨數億件。
保護機制：線束、繼電器、保險絲綜合選型；過載后，繼電器應該能夠帶載切斷，超過后保險絲應該及時作用，避免線束達到冒煙極限值
四、熱管理系統(tǒng)
主要由電池模組內冷卻回路、電池包級冷卻板或冷卻管道、可能集成PTC加熱器，用于冬季制冷；、進出水口及外部水泵、Chiller交換器，空調制冷循環(huán)回路等；
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設計要點：
方案需要滿足電池包的散熱或加熱要求
電池包內部管路需要滿足IP67的設計要求
