手机、笔记本电脑等使用锂聚合物电池时，怎样防止过充电？
来源：宝鄂实业
2019-05-05 17:11
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手机、笔记本电脑等使用锂聚合物电池时，为了防止过充电，经常是用机器监视电池充电状况，它的功能是一旦发现异常，立即停止充电。因此，使用这类机器充电的锂聚合物电池不会发生过充电情况。模型汽车等用的锂聚合物电池从其使用环境要求更轻便化，因此，在电池上并未安装具备上述功能的基板，而是安装在充电器上。模型汽车等用的锂聚合物电池根据电池的构成有各种容量( 单位时间可使用的电流量，单位:mAh) 、充放电容许量( 单位:CmA，C) 等不同产品，因此或者改变与之相应的充电器设定，或者使用各种电池的专用充电器。否则，充电器附带的功能不发挥作用，有时难免发生过充电情况。
另外，注意充电时周边没有可燃物，放入不燃性专用袋中，同时整个充电过程中经常查看，预防电池是否发热"膨胀等异常情况#如果忽略了这些使用上应注意的问题进行充电的话，就会过充电并着火。
( 1) 将锂聚合物电池设定为镍铬电池( 镍氢充电池) 充电时。当镍镉电池充电完成时，会发生特有的电压变化。电池检测出这种变化，即停止充电。而锂 聚合物电池没有这方面功能，因此容易过充电。
(2) 当构成锂聚合物电池的各电池电压失衡，并且充电时设定的不合适时。锂聚合物电池是将几个电池排列组合在一起，因长年使用或使用条件不同，各电池电压平衡有时产生差异。为了改善这种状态，准备能够观测各电池的充电状况，并分别表示每个电池充电完成的充电器，我们将这种充电方法叫做平衡充电，当给各电池电压产生了差异的锂聚合物电池充电时，如果未做平衡充电，排列的电池将作为一个整体被观测，即便整体电压正常，其中的单个电池也会出现过充电情况。
(3) 设定不对的情况下充电时。充电的锂聚合物电池数及充电方法"电压"电流不正确时将出现过充电情况。
目前，纯电动客车动力电池的安装方式通常采用多个并联的电池模块安装在电池箱内，然后将多个电池箱固定在客车电池舱内，电池箱之间通过箱外的正、负极串联。由于纯电动客车使用的动力电池有相当一部分充电方式采用直充式，也就是将车辆上所有的电池模块串联在一起充电[11]，同时由于同一辆车中的不同电池模块在容量和内阻等方面都存在差别。因此，随着充放电次数的增加，不同电池模块在电压、SOC 等方面的不均衡性会越来越明显[9]，导致有些电池模块会充不满且放不尽，而有些电池模块则会造成过充或者过放。
某款纯电动城市客车有9 个电池箱，每个电池箱由20 个电池模块串联，每个电池模块是由32 个12.5 Ah/3.2V 的磷酸铁锂单体电池并联而成。因此，每个电池模块的额定容量为400 Ah，标称电压为3.2 V；整车电池总额定容量400 Ah，标称电压为576 V。交流异步电机的额定功率为100 kW，额定电压为576 V，最低使用电压为450 V，最高使用电压为700 V。
防止电池过充或过放电路设计采用在每个箱内第10、11 电池模块之间串联一个EV200 继电器，其额定电流为200 A，控制电流为100 mA。将20 个电池模块等分成两部分，每部分10 个电池模块都是直接串联在一起的，同时在每一个电池箱的正、负极间串联一个EV200继电器。在正常充、放电时，串联在电池模块间的继电器闭合，串联在电池箱正、负极间的继电器断开，保证该箱电池模块能够正常充、放电。在充电时，当某一箱电池模块充电到最高电压时，该电池箱串联在电池模块间的继电器断开，同时串联在电池箱正、负极间的继电器闭合。
该箱电池组就停止充电，并且保证了其它电池箱的电池模块正常充电；当最后一箱电池充满电时，充电机自动关闭。在放电时，当某一箱电池模块降到最低电压时，该箱串联在电池模块间的继电器断开，同时串联在箱体正、负极间的继电器闭合，该箱电池会停止放电。此时电机就会限制功率并有相关报警措施，提醒驾驶员就近充电维护电池。因此，可以避免发生两个或两个以上电池箱的模块间继电器同时断开的情况，不会出现电压降得太低而使电机不能正常工作。图1 为整车电池箱电路连接原理图；图2 为电池箱内电池模块以及继电器连接原理图。
摘要：随着社会的发展，锂电池成为人们生活中不可或缺的日常用品，它广泛地应用于各种领域之中。在锂电池极片分选方面，大多数锂电池生产厂家利用电子天平手动对其进行称重分选，人工称重分选具有工作量大、人力劳动成本大、生产效率低等缺点，而且不能较好地保证分选精度，人工称重分选已经不能满足生产商的需要。为此，我们有必要研制出具有高精度，使用方便、工作可靠及自动化程度高等特点的高速称重分选机。
关键词：锂电池极片分选 自动化 浮力称重
我国锂电池生产数量日益提高，在国际国内市场所占比例逐渐增大，这一切与我国大规模生产锂电池的生产工艺的提高及生产技术的逐步深化有着密切的关系。但是，在锂电池极片称重分选方面大多数锂电池生产厂家利用电子天平手动对其进行称重分选，工作量相当大，生产效率降低，而且不能较好的保证分选精度。因此，针对锂离子电池制片工艺中的正负极片称重分选方式进行研究，探索具有高精度，使用方便，工作可靠及自动化程度高等特点的称重分选方式，将提升理电池厂家的生产效率，大幅增加厂家的市场份额。
一、国内外分选机研究现状
国外公司在分选机研究方面，起步早，技术领先，市场占有额大。在食品加工、化学、矿产及农业综合等产业，都有广泛采用各种分选设备。
在美国，ESM公司和Sortex公司在分选机研究方面处于领先地位。它们分别于20世纪30年代和40年代开始致力于分选技术的研究，并且一直进行技术革新，与时俱进。
在日本，分选机研究领先的主要是安西制作所和佐竹公司。安西制作所成立于1966年，发展相当迅速，在1970年，便成功研制出日本第一台电子色彩分选机，在技术上获得一大突破，这台分选机在中国已经被广泛使用了十几年；目前，中国各地均有企业采用安西研制的各类分选机，总量达到了近百套，以湖北南金建米业和中国蓝天股份为例，它们是我国两家较大的农业上市公司，目前采用的都是安西的色选设备；2002年4月，安西又迎来了一次新的技术革新，成功开发出了AU，它是世界首创的专用于分选粘度小麦的分选机；佐竹公司生产的分选设备主要用于农产品加工行业，采用线阵CCD浮力称重传感器对分选物料进行识别，这种浮力称重传感器有较高分辨率，能检测出细小病斑异色粒、微黄及杂质等，使分选机性能大大优于传统的同类分选机。
另外，主要从事分选技术研究的企业还有瑞士的布勒公司及美国和英国的一些粮油加工设备公司，这些企业的分选机产品遍布世界各地，代表着世界先进水平。
国内公司在分选机研究方面，起步晚，技术落后，目前成型的产品较少，主要是借鉴国外先进技术，根据生产需求进行改进，所以研制的大多数极片分选系统都还停留在低级水平，各项性能指标仍有待提升。如合肥安科光电和核工业理化工程研究院均有自主研发了分选设备，虽然都较好的实现了分选功能，但是相比国外分选机，各项性能指标仍存在一定差距，尤其为了提高分选机的分选速度，一些电池自动分选设备采用矩阵式排列机械手、多并联机械手以及多工位、多托盘同步进行分选的强化措施，但是最快速度只能达到60～90个/min，这也只是一个最佳的理论速度。由于这种设备造价很高，所以限制了在电池行业的产业化推广。
二、高速电池自动分选机结构设计
提高分选机分选速度的关键问题，在于增加机械手的数量。但是，由于机械手昂贵，对于目前的机械手分选设备是可望而不可及的。我们在设计电池自动分选机首次采用廉价的吸盘式电磁铁代替机械手，实现了一款制造成本低，分选速度快，性能稳定可靠，操作方便实用的新型电池自动分选机。采用吸盘式的电池自动分选机在结构上分为电池分选区域、托盘进料区域和电池收集区域，由384个吸盘式电磁铁（其价格相当于一只机械手的成本）组成4个8×12矩阵，位置对应4个电池周转托盘中的每一只电池，由此构成一个电池分选区域；4个预分类的电池周转托盘放在分选区域下方的托盘进料区域的动板上，汽缸推动动板可以将4个电池周转托盘同时在电池分选区域和托盘进料区域垂直上下移动；在电池分选区域的一侧有一个电池收集区域，一个收集托盘可以在电池收集区域和电池分选区域作水平运动。
采用吸盘式电磁铁的电池自动分选机的工作步骤如下：
步骤1：汽缸将电池周转托盘由托盘进料区域顶起直至电池分选区域，预分类电池的电池帽接触到吸盘式电磁铁表面。
步骤2：计算机根据电池的检测结果和特定的分类方法，控制电池上方的吸盘式电磁铁保持通电状态或者断电状态，通电的吸盘式电磁铁产生的磁场将该当前类电池牢牢吸住。
步骤3：汽缸将电池周转托盘落回到托盘进料区域，此时，当前类分选电池仍然牢牢吸在吸盘式电磁铁上，其他预分类电池仍然留在电池周转托盘里面，实现了当前分类电池从其他预分类电池中间分离出来的目的。
步骤4：电池收集盘从电池收集区域水平移动至分选区域（吸盘式电磁铁下方），到位以后，通电的吸盘式电磁铁全部断电，当前分类电池全部落在电池收集盘上，并且被移出电池分选区域至电池收集区域进行装箱。
重复以上步骤分选下一类电池，直至所有电池分类分选结束。
三、结束语
采用吸盘式电磁铁的电池自动分选机，不需要价格昂贵的机械手和复杂的伺服控制系统，采用低廉的吸盘式电磁铁和简单的直线运动元件实现了电池快速分选，生产效率很高、性能十分稳定可靠。
采用吸盘式电磁铁的电池自动分选机在整个分选过程全部实现自动化，待分类的电池周转托盘从设备的政左侧推入，从右侧流出后进行下一轮周转；电池分选出来在电池收集区域进行快速装箱；特别值得一提的是，该设备在更换电池型号时非常简单，只是需要调整吸盘式电磁铁的高度，其余不需要进行任何调整。整个生产过程、调试和维修十分方便快捷，体现了人性化的设计理念。
采用吸盘式电磁铁的电池自动分选机，从根本上解决了人为误操作导致电池错误分类的现象发生，从而有效地保证了电池组的产品质量和使用寿命。它的普及推广，将有利于促进大电池大规模产业化发展进程。
蓄电池包括铅酸电池、锂电池与全钒液流电池。铅酸电池已有100 多年的历史，以其价格低廉、性能稳定得到广泛应用。但铅酸电池循环寿命很低，一般为300-600 次；而且在电池制造、使用和回收过程中铅对环境的污染已不能为现代社会所接受。全钒液流电池是一种新型储能电池，其功率取决于电池单体面积、电堆层数和串并联数，而容量取决于电解液容积，适于大容量储能，而且几乎无自放电，循环寿命长。全钒液流电池成本非常昂贵，其转换效率和稳定性还有待提高，而且全钒液流电池需要泵进行流体控制，增加了成本[2]。锂电池单体电压高，工作温度范围宽，比能量与效率高，自放电率低，通过采用保护与均衡电路可提高安全性和寿命。因此综合各种电池的优劣，锂电池由于产业链相对成熟，安全可靠以及环境友好，成为储能电站的首选。
了适用于多种负载就必须进行串并联组合；由于各单体电池之间存在差异性，导致电池组的性能呈下滑趋势，如使用寿命比单体使用时明显减少等。所以完善的BMS 系统不仅包括保护技术，还应针对具体应用制定合理的均衡方案，使得各锂电单体的差异在合理范围内波动，保证电池组安全高效的工作[3]。荷电状态（SOC）可以准确的表征电池剩余电量，合理的SOC 估计是预测电池工作时间，避免过冲过放的前提，是BMS 必备的功能；由于电池模型的复杂性，SOC 估计是十分复杂的，常用的方法有其合理性，但是也都存在很大缺陷。温度也是影响锂电工作效能的重要因素，温度对电池的放电容量、内阻、开路电压都有很大的影响；尤其低温时放电容量甚至可以跌至常温时的一半左右。因此完善的BMS 系统还应具备智能温控功能以拓展应用环境[5]。除此之外一个完整的BMS 系统还应包括参数显示、数据通信、故障报警等附属功能
另外，注意充电时周边没有可燃物，放入不燃性专用袋中，同时整个充电过程中经常查看，预防电池是否发热"膨胀等异常情况#如果忽略了这些使用上应注意的问题进行充电的话，就会过充电并着火。
( 1) 将锂聚合物电池设定为镍铬电池( 镍氢充电池) 充电时。当镍镉电池充电完成时，会发生特有的电压变化。电池检测出这种变化，即停止充电。而锂 聚合物电池没有这方面功能，因此容易过充电。
(2) 当构成锂聚合物电池的各电池电压失衡，并且充电时设定的不合适时。锂聚合物电池是将几个电池排列组合在一起，因长年使用或使用条件不同，各电池电压平衡有时产生差异。为了改善这种状态，准备能够观测各电池的充电状况，并分别表示每个电池充电完成的充电器，我们将这种充电方法叫做平衡充电，当给各电池电压产生了差异的锂聚合物电池充电时，如果未做平衡充电，排列的电池将作为一个整体被观测，即便整体电压正常，其中的单个电池也会出现过充电情况。
(3) 设定不对的情况下充电时。充电的锂聚合物电池数及充电方法"电压"电流不正确时将出现过充电情况。
目前，纯电动客车动力电池的安装方式通常采用多个并联的电池模块安装在电池箱内，然后将多个电池箱固定在客车电池舱内，电池箱之间通过箱外的正、负极串联。由于纯电动客车使用的动力电池有相当一部分充电方式采用直充式，也就是将车辆上所有的电池模块串联在一起充电[11]，同时由于同一辆车中的不同电池模块在容量和内阻等方面都存在差别。因此，随着充放电次数的增加，不同电池模块在电压、SOC 等方面的不均衡性会越来越明显[9]，导致有些电池模块会充不满且放不尽，而有些电池模块则会造成过充或者过放。
某款纯电动城市客车有9 个电池箱，每个电池箱由20 个电池模块串联，每个电池模块是由32 个12.5 Ah/3.2V 的磷酸铁锂单体电池并联而成。因此，每个电池模块的额定容量为400 Ah，标称电压为3.2 V；整车电池总额定容量400 Ah，标称电压为576 V。交流异步电机的额定功率为100 kW，额定电压为576 V，最低使用电压为450 V，最高使用电压为700 V。
防止电池过充或过放电路设计采用在每个箱内第10、11 电池模块之间串联一个EV200 继电器，其额定电流为200 A，控制电流为100 mA。将20 个电池模块等分成两部分，每部分10 个电池模块都是直接串联在一起的，同时在每一个电池箱的正、负极间串联一个EV200继电器。在正常充、放电时，串联在电池模块间的继电器闭合，串联在电池箱正、负极间的继电器断开，保证该箱电池模块能够正常充、放电。在充电时，当某一箱电池模块充电到最高电压时，该电池箱串联在电池模块间的继电器断开，同时串联在电池箱正、负极间的继电器闭合。
该箱电池组就停止充电，并且保证了其它电池箱的电池模块正常充电；当最后一箱电池充满电时，充电机自动关闭。在放电时，当某一箱电池模块降到最低电压时，该箱串联在电池模块间的继电器断开，同时串联在箱体正、负极间的继电器闭合，该箱电池会停止放电。此时电机就会限制功率并有相关报警措施，提醒驾驶员就近充电维护电池。因此，可以避免发生两个或两个以上电池箱的模块间继电器同时断开的情况，不会出现电压降得太低而使电机不能正常工作。图1 为整车电池箱电路连接原理图；图2 为电池箱内电池模块以及继电器连接原理图。
摘要：随着社会的发展，锂电池成为人们生活中不可或缺的日常用品，它广泛地应用于各种领域之中。在锂电池极片分选方面，大多数锂电池生产厂家利用电子天平手动对其进行称重分选，人工称重分选具有工作量大、人力劳动成本大、生产效率低等缺点，而且不能较好地保证分选精度，人工称重分选已经不能满足生产商的需要。为此，我们有必要研制出具有高精度，使用方便、工作可靠及自动化程度高等特点的高速称重分选机。
关键词：锂电池极片分选 自动化 浮力称重
我国锂电池生产数量日益提高，在国际国内市场所占比例逐渐增大，这一切与我国大规模生产锂电池的生产工艺的提高及生产技术的逐步深化有着密切的关系。但是，在锂电池极片称重分选方面大多数锂电池生产厂家利用电子天平手动对其进行称重分选，工作量相当大，生产效率降低，而且不能较好的保证分选精度。因此，针对锂离子电池制片工艺中的正负极片称重分选方式进行研究，探索具有高精度，使用方便，工作可靠及自动化程度高等特点的称重分选方式，将提升理电池厂家的生产效率，大幅增加厂家的市场份额。
一、国内外分选机研究现状
国外公司在分选机研究方面，起步早，技术领先，市场占有额大。在食品加工、化学、矿产及农业综合等产业，都有广泛采用各种分选设备。
在美国，ESM公司和Sortex公司在分选机研究方面处于领先地位。它们分别于20世纪30年代和40年代开始致力于分选技术的研究，并且一直进行技术革新，与时俱进。
在日本，分选机研究领先的主要是安西制作所和佐竹公司。安西制作所成立于1966年，发展相当迅速，在1970年，便成功研制出日本第一台电子色彩分选机，在技术上获得一大突破，这台分选机在中国已经被广泛使用了十几年；目前，中国各地均有企业采用安西研制的各类分选机，总量达到了近百套，以湖北南金建米业和中国蓝天股份为例，它们是我国两家较大的农业上市公司，目前采用的都是安西的色选设备；2002年4月，安西又迎来了一次新的技术革新，成功开发出了AU，它是世界首创的专用于分选粘度小麦的分选机；佐竹公司生产的分选设备主要用于农产品加工行业，采用线阵CCD浮力称重传感器对分选物料进行识别，这种浮力称重传感器有较高分辨率，能检测出细小病斑异色粒、微黄及杂质等，使分选机性能大大优于传统的同类分选机。
另外，主要从事分选技术研究的企业还有瑞士的布勒公司及美国和英国的一些粮油加工设备公司，这些企业的分选机产品遍布世界各地，代表着世界先进水平。
国内公司在分选机研究方面，起步晚，技术落后，目前成型的产品较少，主要是借鉴国外先进技术，根据生产需求进行改进，所以研制的大多数极片分选系统都还停留在低级水平，各项性能指标仍有待提升。如合肥安科光电和核工业理化工程研究院均有自主研发了分选设备，虽然都较好的实现了分选功能，但是相比国外分选机，各项性能指标仍存在一定差距，尤其为了提高分选机的分选速度，一些电池自动分选设备采用矩阵式排列机械手、多并联机械手以及多工位、多托盘同步进行分选的强化措施，但是最快速度只能达到60～90个/min，这也只是一个最佳的理论速度。由于这种设备造价很高，所以限制了在电池行业的产业化推广。
二、高速电池自动分选机结构设计
提高分选机分选速度的关键问题，在于增加机械手的数量。但是，由于机械手昂贵，对于目前的机械手分选设备是可望而不可及的。我们在设计电池自动分选机首次采用廉价的吸盘式电磁铁代替机械手，实现了一款制造成本低，分选速度快，性能稳定可靠，操作方便实用的新型电池自动分选机。采用吸盘式的电池自动分选机在结构上分为电池分选区域、托盘进料区域和电池收集区域，由384个吸盘式电磁铁（其价格相当于一只机械手的成本）组成4个8×12矩阵，位置对应4个电池周转托盘中的每一只电池，由此构成一个电池分选区域；4个预分类的电池周转托盘放在分选区域下方的托盘进料区域的动板上，汽缸推动动板可以将4个电池周转托盘同时在电池分选区域和托盘进料区域垂直上下移动；在电池分选区域的一侧有一个电池收集区域，一个收集托盘可以在电池收集区域和电池分选区域作水平运动。
采用吸盘式电磁铁的电池自动分选机的工作步骤如下：
步骤1：汽缸将电池周转托盘由托盘进料区域顶起直至电池分选区域，预分类电池的电池帽接触到吸盘式电磁铁表面。
步骤2：计算机根据电池的检测结果和特定的分类方法，控制电池上方的吸盘式电磁铁保持通电状态或者断电状态，通电的吸盘式电磁铁产生的磁场将该当前类电池牢牢吸住。
步骤3：汽缸将电池周转托盘落回到托盘进料区域，此时，当前类分选电池仍然牢牢吸在吸盘式电磁铁上，其他预分类电池仍然留在电池周转托盘里面，实现了当前分类电池从其他预分类电池中间分离出来的目的。
步骤4：电池收集盘从电池收集区域水平移动至分选区域（吸盘式电磁铁下方），到位以后，通电的吸盘式电磁铁全部断电，当前分类电池全部落在电池收集盘上，并且被移出电池分选区域至电池收集区域进行装箱。
重复以上步骤分选下一类电池，直至所有电池分类分选结束。
三、结束语
采用吸盘式电磁铁的电池自动分选机，不需要价格昂贵的机械手和复杂的伺服控制系统，采用低廉的吸盘式电磁铁和简单的直线运动元件实现了电池快速分选，生产效率很高、性能十分稳定可靠。
采用吸盘式电磁铁的电池自动分选机在整个分选过程全部实现自动化，待分类的电池周转托盘从设备的政左侧推入，从右侧流出后进行下一轮周转；电池分选出来在电池收集区域进行快速装箱；特别值得一提的是，该设备在更换电池型号时非常简单，只是需要调整吸盘式电磁铁的高度，其余不需要进行任何调整。整个生产过程、调试和维修十分方便快捷，体现了人性化的设计理念。
采用吸盘式电磁铁的电池自动分选机，从根本上解决了人为误操作导致电池错误分类的现象发生，从而有效地保证了电池组的产品质量和使用寿命。它的普及推广，将有利于促进大电池大规模产业化发展进程。
储能技术的的种类和优势
目前已有的储能技术包括抽水、飞轮等物理储能，超级电容等电磁储能以及电化学原理的蓄电池储能。考虑到放电时间、成本等因素，蓄电池成为光伏电站储能的首选[1]。目前已有的蓄电池包括铅酸电池、锂电池与全钒液流电池。铅酸电池已有100 多年的历史，以其价格低廉、性能稳定得到广泛应用。但铅酸电池循环寿命很低，一般为300-600 次；而且在电池制造、使用和回收过程中铅对环境的污染已不能为现代社会所接受。全钒液流电池是一种新型储能电池，其功率取决于电池单体面积、电堆层数和串并联数，而容量取决于电解液容积，适于大容量储能，而且几乎无自放电，循环寿命长。全钒液流电池成本非常昂贵，其转换效率和稳定性还有待提高，而且全钒液流电池需要泵进行流体控制，增加了成本[2]。锂电池单体电压高，工作温度范围宽，比能量与效率高，自放电率低，通过采用保护与均衡电路可提高安全性和寿命。因此综合各种电池的优劣，锂电池由于产业链相对成熟，安全可靠以及环境友好，成为储能电站的首选。
锂电储能关键技术
锂电管理系统（BMS）是锂电工作所必须的。首先锂电池由于严禁过充过放电，所以必须配备保护设备以确保所有电芯的安全。另一方面由于单体锂电池的标称电压只有3.2-3.7V，为了适用于多种负载就必须进行串并联组合；由于各单体电池之间存在差异性，导致电池组的性能呈下滑趋势，如使用寿命比单体使用时明显减少等。所以完善的BMS 系统不仅包括保护技术，还应针对具体应用制定合理的均衡方案，使得各锂电单体的差异在合理范围内波动，保证电池组安全高效的工作[3]。荷电状态（SOC）可以准确的表征电池剩余电量，合理的SOC 估计是预测电池工作时间，避免过冲过放的前提，是BMS 必备的功能；由于电池模型的复杂性，SOC 估计是十分复杂的，常用的方法有其合理性，但是也都存在很大缺陷。温度也是影响锂电工作效能的重要因素，温度对电池的放电容量、内阻、开路电压都有很大的影响；尤其低温时放电容量甚至可以跌至常温时的一半左右。因此完善的BMS 系统还应具备智能温控功能以拓展应用环境[5]。除此之外一个完整的BMS 系统还应包括参数显示、数据通信、故障报警等附属功能
