锂离子充电电池设计简介

本文将概述如何设计锂离子电池。它将研究电池的两个主要组件：电池和电子设备，并将锂离子电池化学与市场上其他类型的化学进行比较，例如密封铅酸 (SLA)、镍金属氢化物 (NiMH)和镍镉 (NiCd)，以及它如何影响设计。我们将深入探讨锂离子电池的安全方面，以及电池管理系统 (BMS) 如何确保电池以安全运行的方式使用。未来的文章将深入探讨这些方面的每一个方面。

电池概览

在当今便携式电子产品的世界中，您一天都离不开锂离子充电电池。这些电池为您的手机、智能手表、平板电脑、笔记本电脑、汽车、自行车、家庭和飞机供电。不幸的是，最近关于电动汽车起火，电池问题的消息凸显了锂离子电池的危险性。市场压力继续以尽可能小的体积推动尽可能多的能量加剧了安全问题。锂离子化学本质上并不安全，因此电池的选择、制造工艺、电池的电气和机械设计对于确保电池的安全至关重要。

电芯是电池的电源。电池有许多不同的尺寸、形状和化学成分。电子设备的主要目标是确保电池在其安全操作条件下使用。外壳为电池和电路板提供了一个外壳，以实现机械完整性。

电池化学

无论其化学性质如何，电池的基本结构都非常相似。它由四个主要部分组成：阳极、阴极、隔膜和电解质。电池的目标是产生电子流，从而产生电流，可用于为 LED、灯泡、电子设备、电机等供电。

由阴极和阳极组成的电极由两种不同的材料制成。一个更自由地放弃电子，而另一个更愿意接受它们。隔板确保阳极和阴极不会接触(短路)并允许锂离子流过。电解质用于产生氧化/还原过程和离子在阳极和阴极之间流动的介质。

当电路完成时，它会产生化学反应，使电池放电。阳极材料在负极端放弃其电子，并围绕外部电路流向阴极侧。锂离子同时通过电解质材料从阳极流向阴极。在充电过程中发生相反的情况。

阴极、阳极和电解质的差异构成了不同类型的电池。每个元素都有其独特的特性，这些特性会影响电池的载流能力、电压、循环寿命、储存寿命、安全性和工作温度。

锂离子电池

由于其非常高的能量密度、低维护要求和出色的循环寿命性能，锂离子化学正在赢得电子行业未来首选电池化学的竞争。锂离子电池有三种主要形状：圆柱形、棱柱形和聚合物。

圆柱形电池有两种常见的尺寸：18650 和 26650 尺寸。这些电池是钢或铝的。尺寸的前两位数字是罐的直径，以毫米为单位，接下来的三位数字是以毫米为单位的长度。因此，对于 18650 电池，直径为 18 毫米，长度为 65.0 毫米。这些电池通常用于笔记本电脑电池，并广泛用于电动工具电池。这些电池也出现在许多电动汽车中。几家电池制造商正在寻找 21700 的新圆柱尺寸，以实现电动汽车要求驱动的更高容量(超过 4Ahr)。

棱柱形电池是矩形电池，在老一代手机(翻盖手机)中非常流行。许多使用棱柱形电池的应用正在被聚合物电池所取代。

聚合物电池用于许多手机、平板电脑、笔记本电脑和可穿戴设备。它们有各种不同的形状和大小。行业中没有标准的聚合物尺寸会导致可用性问题，因为如果没有任何大的需求支持，这些电池很快就会过时。大多数聚合物电池尺寸是针对特定应用的定制尺寸。聚合物电池可以具有非常高的能量密度并且还可以提供非常高的电流速率。在聚合物电池中进行设计时，需要考虑仔细的机械设计考虑。聚合物电池周围需要有机械保护，以确保它们不会被刺破或压碎。此外，外壳需要考虑随着时间的推移而膨胀。

锂离子电池有各种不同的阳极和阴极材料组成。每种化妆品都提供了优于其他化妆品的特定优势。需要仔细选择电池，以确保将最佳锂离子化学物质用于应用和用例。

电子产品

尽管锂离子化学与其他电池化学相比具有许多优势，但最大的缺点是其安全性能。如果使用不当，锂离子电池会产生热事件。坚固的电子设备和保险丝需要纳入电池设计中，以确保其在安全运行条件下使用。

如果电池遇到过流、过压、欠压、过热和/或过热情况，主保护会关闭充电和/或放电。二级保护电路是一种冗余保护功能，可在过压时熔断保险丝并永久禁用电池。二级保护的过电压整定值高于一级保护整定值。仅当一级保护由于设计/制造缺陷而不起作用时，才会触发二级保护电路。需要通过UL2054测试的电池通常需要二次保护。

此外，一些电池可能具有电量计以测量其剩余容量。有几种技术可以做到这一点。最原始和最简单的方法是将电压与充电状态相关联。这有几个缺点，因为它没有考虑温度、放电电流和电池寿命，这些都会影响电池容量。实际上很少有电池使用这种方法。

另一种方法是使用库仑计数技术，该技术跟踪进出电池的电流。初始容量被编程到电池中，当它放电时，它会通过测量电流和时间减去剩余的容量。如果电池正在充电，它会将其加起来。这是一种比仅仅依靠电压测量更准确的容量测量方法。库仑计数的缺点是它需要定期发生完全放电，以便它“了解”电池需要重新校准自身的容量。

最常用的测量方法是使用基于阻抗轨迹的电量计。这些 IC 实际上测量电池上的阻抗，并随时间、温度和使用模式跟踪它。这些 IC 在报告容量方面往往比基于电压或库仑计数的同类产品更准确。它们确实需要事先进行电池表征并将数据加载到电量计中。

电池平衡是电池中采用的另一个功能，可确保电池在整个使用寿命期间保持平衡并保持平衡。电池不平衡可能是由于电池上的不均匀电流消耗、不均匀的热负载和/或工厂中电池匹配不良而导致的。电池不平衡会缩短电池寿命，在某些情况下可能是安全问题。有两种常见的电池平衡方法：被动和主动。无源电池平衡电路使充电量最高的电池放电，而有源平衡电路将电荷从一个电池转移到另一个电池。需要进行广泛的验证以确保电池平衡正常工作。如果配置不正确，它实际上会随着时间的推移造成电池不平衡并过早地降低电池性能。

总之，锂离子是一种挥发性化学物质，与其他电池化学物质相比存在许多安全问题，但高能量密度、高循环寿命和免维护操作使得将它们用于为电子设备供电非常有吸引力。但是，可以通过为应用选择正确的锂电池以及适当的电气和机械设计来管理电池来减轻安全问题。