电池基电源处理体系包括哪些？介绍电池基体系地应用领域
来源：宝鄂实业
2019-07-07 18:10
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电池基体系广泛地应用在蜂窝电话、PDA游戏机、医疗仪器等范畴。这些体系需求有用的电源处理以便使设备规范和电池寿数最佳化。
电池基电源处理体系包括电池和为体系供给电源的稳压电路。首要的规划政策包括：
功用和充电时间间隔政策，要经过有用的体系规划，使电池规范最小、重量最轻。
在宽输入电压范围内供给适宜的安稳输出电压，在电池电压下降时电池基体系能正常地作业。
要求电源处理体系减小印刷电路板巨细。
功率处理体系最小热耗，应消除杂乱的热处理，热处理睬添加重量和本钱。
电源处理体系最佳化的电路布线，应防止电磁搅扰。
高可靠性的电源处理体系。
电池挑选为了满足上述的规划政策，电源处理体系的规划从电池开始。电池类型有一次电池（或非从头充电电池）和可从头充电电池。
一些盛行的可从头充电电池包括：
镍镉（NiCd）电池具有寿数长，高放电率和价格便宜。利益是简略的充电特性，能饱尝多次充电/放电。
镍氢（NiMH）电池：与NiCd电池比具有较高能量密度，可是要以下降寿数为价值，其能量密度比NiCd高30%~40%。NiMH储存效应比较小。充电时，NiMH选用更杂乱的充电算法并消耗一些热量，因此，所需的充电时间比NiCd长。
锂离子（Li-ion）电池：具有高能量密度并且重量轻。当今锂电池以单位重量的最大电化学势能和最高能量密度而处于电池的中心方位。锂离子电池是安全的，它在充电和放电时能供给必定的安全措施。其能量密度是规范NiCd电池的2倍。别的，它具有高容量，其负载特性是恰当好的，放电特性相似于NiCd。它恰当高的电池电压（2.7~4.2V）使得许多Li-ion电池组只要一个电池组成。寿数为300充电/放电周期，在500周期为50%容量。可是，Li-ion电池需求维护电路，维护电路在充电期间绑缚每个电池的峰值电压，并阻挠放电时电压下降太低。维护电路不只绑缚最大充电和放电电流，并且监控电池温度。在处理和查验Li-ion电池时应当心短路、过充电、压碎、敲击、损坏、穿入、反向极性、暴露在高温或折开电池。
只用带规划有维护电路的Li-ion电池。
电池（battery）指盛有电解质溶液和金属电极以发生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间。跟着科技的行进，电池泛指能发生电能的小型设备。如太阳能电池。电池的功用参数首要有电动势、容量、比能量和电阻。
电池的功用参数首要有电动势、容量、比能量和电阻。电动势等于单位正电荷由负极经过电池内部移到正极时，电池非静电力（化学力）所做的功。电动势取决于电极材料的化学性质，与电池的巨细无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量，通常用安培小时作单位。在电池反响中，1千克反响物质所发生的电能称为电池的理论比能量。电池的实践比能量要比理论比能量小。由于电池中的反响物并不全按电池反响进行，一起电池内阻也要引起电动势降，因此常把比能量高的电池称做高能电池。电池的面积越大，其内阻越小。
电池的能量储存有限，电池所能输出的总电荷量叫做它的容量，通常用安培小时作单位，它也是电池的一个功用参数。电池的容量与电极物质的数量有关，即与电极的体积有关。
有用的化学电池可以分红两个根本类型：原电池与蓄电池。原电池制成后即可以发生电流，但在放电结束即被扔掉。蓄电池又称为二次电池，运用前须先进行充电，充电后可放电运用，放电结束后还可以充电再用。蓄电池充电时，电能转换成化学能；放电时，化学能转换成电能的。
锂聚合物（Li-Pol）电池：能量密度与Li-ion电池相似，但运用较安全，并且有较好的封装灵活性。Li-Pol电池与Li-ion不同的当地是制造稳固性、安全性和薄外形几何形状。不像Li-ion电池那样，不存在易燃性的风险。由于Li-Pol的电极是叠层式的。
一些电池组包括一个集成IC维护电路。此IC防止或许导致过热的大电流。锂离子电池组中的电池需求独自的电压监控。串联联接的电池越多，其维护电路就越杂乱。留心：不要放电低于2.5V的锂基电池，不然，就堵截电池的维护电路。
一切的电池都会自放电。自放电关于镍基电池是最明显的。通常在充电之后的第一个24小时，镍基电池放电其容量的10%~15%，这今后的放电率是每月10%~15%。Li-ion自放电在第一个24小时大约为5%，这今后为1%~2%。
锂电池在使用过程中会遇到不同的环境，在冬季中国北部地区温度常常低于0℃甚至-10℃。将电池的充放电温度降低到0℃以下时，锂电池充放电的容量和电压将会急剧降低。这是因为，锂离子在低温下在电解液中、SEI中、石墨颗粒中的迁移率降低了。这样苛刻的低温环境必然会带来高比表面积锂金属的析出。
高比表面积锂析出是锂电池失效机理中一个最为关键的原因，同时也是导致电池安全性的一个重要问题。这是因为其具有特别大的表面积，锂金属本来就特别活跃易燃，高表面积的枝晶锂更是有点湿空气就可以燃烧。
随着电动汽车中电池容量的提高，续航里程的提升以及电动车市场占有率的不断提高，对于电动车的安全性则要求越来越严格。在低温环境下，动力电池性能会有哪些变化？其安全性方面有哪些值得注意的？
1.18650低温循环实验及电池拆解分析
将18650电池（2.2A，NCM523/石墨体系）在一定的充放电机制下进行0℃下低温仿真循环。充放电机制是：CC-CV充电，充电倍率为1C，充电截止电压为4.2V，充电截止电流为0.05C，之后CC放电到2.75V。由于一般将电池SOH为70%-80%时定义为一个电池的终止状态（EOL）。故本实验选择电池SOH为70%时电池终止使用。在以上条件下电池的循环曲线如图1（a）所示，通过对循环后电池及未循环的电池的极片和隔膜进行Li MAS NMR分析，化学位移结果见图1（b）。

图1.电池循环曲线及Li MAS NMR分析
低温循环前面几个循环容量出现上升，随后出现稳步的下降，循环次数不足50次SOH就降到了70%以下。拆解试验后电池发现，负极极片表面有一层银灰色物质，猜测为锂金属在循环后的负极材料表面沉积了。通过对两个实验对比组电池进行Li MAS NMR分析，结果如图b也进一步进行了确认。
在0ppm时有一个较宽的峰，说明此时锂存在于SEI中，循环后电池在255 ppm时出现了第二个峰，可能就是锂金属析出于负极材料表面形成的。为了进一步确认，是否真的出现了锂枝晶，对其进行了SEM形态观察，结果如图2所示。

图2. SEM分析结果
通过比较a图和b图，可以看到b图中有一层厚厚的物质形成，但是这层物质还没有把石墨颗粒完全遮盖起来。将SEM倍率进一步放大，观察D图看到了稠密的薄片状物质间有针状的物质，这个物质可能就是高比表面积锂（也就是常说的枝晶锂 ）。此外，锂金属沉积层是朝着隔膜的方向成长的，其厚度可以通过与石墨层厚度比较来观察到。
沉积锂的形态是什么样取决于很多因素。例如表面的无序度、电流密度、充电状态、温度、电解液添加剂、电解液组成、外加电压等等。其中，低温条件下的循环和高的电流密度是最容易形成稠密的高比表面积锂金属的。
2.电池极片热稳定性分析
研究者利用TGA对未循环的电池极片和循环后电池极片进行分析，如图3所示。

图3.负极和正极极片TGA分析（a.负极b.正极）
由上图可以看出，未使用的电极出现三个重要的峰分别在T≈260℃、450℃和725℃，说明在这几个位置处出现了剧烈的分解、蒸发或升华反应。而使用后的电极，在33℃和200℃处出现了明显的质量损失。低温下的分解反应是由SEI膜分解引起的，当然也跟电解质成分等因素有关系。高比表面积锂金属的析出导致大量的SEI膜在锂金属表面形成也是电池在低温循环下大量质量损失的一个原因。
SEM并不能看出循环实验后正极材料在形态上有什么变化，TGA分析可以得知在400℃以上时有较高的质量损失。这个质量损失可能是由正极材料中锂的减少导致的。如图3（b）所示，随着电池老化，NCM正极中Li的含量是逐渐减少的。SOH100%的正极极片损失4.2%，SOH70%的正极极片质量损失为5.9%。总之，在经过低温循环后无论正极极片还是负极极片，其质量损失率都增加了。
3.电解液电化学老化分析
低温环境对电池电解液的影响是通过GC/MS分析的。分别从未老化电池和老化后电池中取出电解液样品，GC/MS分析结果如图4所示。

图4.GC/MS和FID-MS测试结果
未低温循环电池的电解液包含DMC、EC、PC，此外还有FEC、PS、SN作为外加剂以提高电池性能。在未循环电池和循环后电池中，DMC、EC、PC的量是一致不变的，循环后电解液中添加剂SN（抑制高电压下正极电解液氧化分解）有所降低，因此在低温循环下正极局部过充是其原因。BS和FEC是SEI成膜添加剂，促进形成稳定的SEI膜，此外FEC还可以提高电池循环稳定性和库伦效率。PS可以增强负极SEI热稳定性。图中可以看出，PS的量并没有随着电池老化而减少。FEC量有急剧的减少，SOH为70%时甚至看不到FEC了。FEC的消失是因为不断重建SEI造成的，而反复重建SEI又是Li不断析出在负极石墨表面引起的。
电池循环后电解液的主要产物是DMDOHC，其合成是与SEI的形成相一致的。因此图4a中大量的DMDOHC意味着大面积SEI的形成。
4.未低温循环电池的热稳定性解析
在准绝热条件呵和HWS模式下，对未低温循环的电池和低温循环的电池进行ARC（加速量热计）测试，从ARC-HWS结果来看，放热反应是由电池内部引起的，而跟外部环境温度无关，电池内部的反应可以分为三个阶段，
在隔膜热化过程和电池爆炸过程中，会出现部分吸热，但是隔膜热化吸热对于整个SHR来说是非常低的，的放热反应来自SEI的分解，随后热感应诱导到达石墨表面，然后电子减
图6.ARC-HWS结果解释a.热失控温度，b.CID启动，c.热失控初始温度d.放热反应初始温度
未低温循环的电池初始放热反应（OER）开始于90℃附近，成直线增长至125℃，并伴随着SOC的降低，说明OER极度依赖于负极中锂离子的状态。对放电过程电池来说，分解反应中最高的SHR(自加热速率)是在160℃左右产生的，在高温下SHR会降低，因此确定了插层锂离子的消耗在负极。
只要负极有足够的锂离子，就能保证被破坏的SEI能被重建。正极材料热分解会释放出氧气，跟电解液发生氧化反应，最终导致电池热失控的行为。在高SOC下，正极材料处于高脱锂态，此时的正极材料结构也是最不稳定的。随之发生的是电池的热稳定性就下降了，氧气释放量增多，在高温下正极与电解液之间的反应占据主导地位。
4.产气过程中的能量释放
通过对循环后电池进行分析，可以看到在32℃附近SHR开始呈直线增长。在产气过程中伴随着能量的释放，主要是由分解反应引起的，起初一般被人任务是电解液的热分解。
高比表面积锂金属在负极材料表面析出，可以通过以下方程式表述。
在公示中Cp为比热容，△T代表在ARC测试中分解反应导致的电池自加热温升总和。
在ARC实验中30-120℃间的未循环电池比热容被测试。放热反应发生在125℃，且电池处于放电状态，没有其他放热反应对其进行干扰。在此实验中，CP与温度呈线性关系，如下方程。
在整个反应中能量释放的总量可以通过对比热容积分得到，每个电池在低温下的老化可以释放出3.3Kj的热量。在热失控过程中的释放的能量无法算出。
5.针刺实验
为了确认电池老化对电池短路实验的影响，进行了针刺实验。
由图可知对放电完成后的老化后电池和新的电池（SOC 0%）进行针刺实验，两者只有10℃-20℃的微小区别。对于老化后电池，在绝热条件下，其绝对温度达到T≈35℃，这与SHR≈0.04K/min是相符合的。
未老化的电池SOC为50%时在30s后达到了最大的温度120℃，释放的焦耳热不足以达到这样的温度，SHR超过了热扩散的数量。在SOC为50%时，老化后电池对热失控具有一定的延迟作用，当针刺入电池时温度急剧升高至135℃。在135℃以上时，SHR增加引发了电池的热失控，电池表面温度升高至400℃。
对充满电的新电池进行针刺实验则出现了不一样的现象，一些电池直接热失控了，一些电池表面温度保持低于12
从两个问题开始和大家讨论一下系统安全
为什么需要安全设计？


安全设计包括那些内容？
电气安全设计：电池组一般电压比较高，输出功率高；
化学安全设计：单体电芯化学特性受倍率，温度等多种因素影响；
机械安全设计：汽车行驶受到振动，颠簸，碰撞；
功能安全设计：电池管理系统功能复杂，需要安全冗余设计；
其他运输，法规设计：包装，运输等要求；

动力电池系统组成


动力系统构建关键技术

一、电芯技术
电芯类别分为软包，铝壳方形，圆柱。比容量上圆柱形最高，依次软包，方形。软包和方形加工工艺上可以叠片也可以卷绕，叠片就像夹心饼干一样把正极片，隔膜，负极片裁剪好叠在一起装壳。卷绕式像卫生纸筒一样把正极片，隔膜，负极片三层一起卷成圆柱然后装壳。制作工艺圆柱形最为简单。以下列举几家厂商生产的三元（镍钴锰）材料单体电芯对比。




二、集成技术
公司现有集成方案或技术
圆柱电芯（电芯级能量密度高，松下、比克等）
软包电芯（电芯级能量密度高， LG、 A123等）
硬壳电芯（易于成组集成，便于热管理布置， CATL、三星等）
车型规划
纯电动EV、混合动力HEV、 PHEV等，决定电芯类型为能量型或者功率型
车辆的续驶里程，决定需要的总电量；车辆的电压平台，决定了单体需要的容量；（快）充放电功率需求等；
整车初步给出的初步布置位置及空间，决定了电池包的尺寸及冷却类型（电芯最大高度，是否主动冷却）
供应商考核与选择
供应商现有产品及未来5年的产品规划（是否需要满足能量/功率密度要求、尺寸要求，决定是否需要重新开发）
目标产品是否满足产能规划、价格优势、先进技术条件等，决定是否能成为战略供应商
目标产品或类似产品，电芯/模组摸底实验（性能<不同温度容量、功率、电阻、一致性>）、循环寿命、滥用安全）

基本构成：
上下箱体
零部件支架
紧固件等
基本要求：
通过前期仿真验证
满足规定的设计性能要求
满足国标GBT31467.3 机械部分要求
满足企业内部标准要求，满足ADVP实验指标
满足产品成型性要求，产品应该易加工成型，满足成本要求
满足轻量化设计要求，保证电池的集成效率优势（>60%~70%）
上盖有一定结构强度要求并且要为MSD（手动维修开关/保险丝）留好接口

下壳主要承载电池组重量同时停供与车身连接接口

电池包机械方面结构体需要满足

电气方面由高低压线束及接插件（含模组采集ICB）、继电器总成BDU（含子回路保险丝）、手动维修开关MSD（含主保险丝）构成；

基本要求:


三、电气设计要点




高压熔成本远高于低压熔丝之原因
结构、材料差异
制程差异：
高压熔丝目前为半自动化生产，人工成本占比较大；
低压熔丝已实现全自动化生产。
出货量差异
高压熔丝月出货低于1百万件；
低压熔丝月出货数亿件。
保护机制：线束、继电器、保险丝综合选型；过载后，继电器应该能够带载切断，超过后保险丝应该及时作用，避免线束达到冒烟极限值
四、热管理系统
主要由电池模组内冷却回路、电池包级冷却板或冷却管道、可能集成PTC加热器，用于冬季制冷；、进出水口及外部水泵、Chiller交换器，空调制冷循环回路等；


设计要点：
方案需要满足电池包的散热或加热要求
电池包内部管路需要满足IP67的设计要求
