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1、1锂离子电池应用与组配摘要： 随着环保意识的增强，长串锂离子电池的应用越来越广泛，由于电化学产品一致性的问题，锂离子电池的组配技术成为影响电池组性能的一个重要环节，适当的组配策略将尽可能的发挥出锂离子电池的优势，并使锂离子电池的应用更加广泛。 Abstract： With the enhancement of environmental awareness， long-string lithium-ion battery is widely used. Due to the consistency problem of electrochemical product， the distribu

2、tion technology of lithium-ion battery becomes an important part of affecting battery performance. Appropriate distribution strategy will as much as possible play out the advantages of lithium-ion batteries， and make the lithium-ion battery application more widely. 关键词： 锂离子电池；应用；组配 Key words： lithiu

3、m-ion battery；application；distribution 中图分类号：U262.44 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）06-0287-03 0 引言 锂离子电池是一种新型的环保的高性能的电池，它最初的应用体现在小容量的电池应用方面，相对于铅酸电池和镍氢电池，它具有体积小、2容量高、无污染、安全性好的几大优点，随着新型的锂离子正极材料的出现，锂离子电池的应用范围不断拓展，已经从单一的手机电池应用拓展到大中小型电动汽车、电力储能、后备电源、电动工具与航模等各个领域。 1 锂电池概述 锂离子电池锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动

4、来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池。是现代高性能电池的代表。 目前常见的锂离子电池按照其使用的正极材料区分主要有四个系列：钴酸锂系列、三元系列（镍钴锰酸锂） 、锰酸锂系列、磷酸铁锂系列，由于正极材料的不同，各系列的特性和应用范围也不同。一般来讲，钴酸锂主要适合于单体电池使用，而锰酸锂、磷酸铁锂系列的电池以其高安全性的特征适合于长串电池组的使用，我们在本篇文章中主要也是以这两种电池来进行讨论的。 2 电池组用途的分类与常见问题 2.1 电池组用途的分类

5、随着全球对环保的认识不断提高，新能源产业也在不断发展，作为新能源产业的主力，锂电池的应用也得到了充分发展，从单一的手机电池向各个领域推广，尤其是随着磷酸铁锂正极材料的应用，电池的应用有了长足的进步，拓展到了动力汽车、储能等各个领域。随着锂电池的应用范围不断扩大，按照应用范围性能要求，锂3电池可以大致分为下面几个类别。 2.1.1 油电/汽电混合车应用 这是一种主要应用于大中型车辆的使用方式，车辆的主要动力还是汽油或者天然气，它的电池组工作模式是在汽车刹车制动的时候利用回馈的能量给电池组充电，在车辆需要加速或者助力的时候电池组作为辅助动力源进行助力，这用使用模式要求电池组的比功率比较高，相应的对

6、电池组容量范围要求不高，也就是要求电池组，瞬态充放倍率大，充放频率较高，一般充放电电流在 300A 左右，倍率在 5C 以上，工作频率最高可以在 35 分钟一次，这类应用对电池组本身性要求比较高。 2.1.2 纯电动车应用 这是一种完全使用电池组作为车辆能源的使用方式，使用电池组容量范围区间比较大，持续电流一般在 50100A，瞬态电流大，一般在 200A300A，但是由于续航里程的要求，电池组的的容量一般比较大，所以绝对倍率一般不大，一般会在 2C 以下，充放电频率较低，多数车辆一天一次充放电循环，同时一般充电电流小，放电电流大，对电池性能要求一般。 2.1.3 风光储能等应用 主要作为风光

7、储能的中继使用，在光照或者风力比较强的时候，由发电机组对电池组进行充电，在需要用电的时候，电池组对电网进行放电，这样的电池组特征是电池组容量一般很大，可以达到兆瓦级，使用 SOC 区间较大，充放电频率较低，但是一般要求充电倍率高，放电倍率低，同时要求电池组自放电要小。 2.1.4 浮充型备用（应急）电源的应用 正常情况下持续能电压小电流挂充电机浮充，一般浮充电压在比电池组的充电限制略低，磷酸铁锂4电池一般单节 3.4V 左右，在停电或者是事故的时候时使用电池组为部分应急设备进行供电，放电电流一般较小，使用频率很低。 2.1.5 普通备用（应急）电源 这种应用一般比较简单，相当于UPS，一般充好

8、电后使用，直到容量用完后，重新充电，对电池组的放置时间有要求，要求自放电小，一般持续放电电流小，使用容量范围比较大。 除了以上这几种分类，锂离子电池组其实还有一些其他的使用方式，比如电力系统的错峰用电、搬峰填谷的使用等，但基本上可以划分到以上的分类中去，这里就不在做更多的阐述了。 2.2 电池组应用的常见问题和管理策略 锂离子电池组和以往的铅酸电池存在较大的不同，因此在使用上也存在较大差异，这也是锂离子电池组构造时必须考虑的问题。我们在下面进行一下简单的阐述。 2.2.1 过充与过放 对于锂离子电池来讲，充电的放电电压都是有一定限制的，当时高于充电限制电压进行充电（过充）或者持续低于放点限制电

9、压进行放电（过放）的时候，会对电池造成不可以逆转的伤害，使电池的性能和寿命造成极大的损失。 2.2.2 过流 作为可充电的锂离子电池，在使用中的最大电流是有限制的，当实际工作电流过大时，也会对电池造成不可逆转的损坏，甚至发生危险。 2.2.3 过温 锂离子电池的使用对环境温度是有要求的，以磷酸铁锂电池为例，其工作环境温度要求是从零下 20 摄氏度到 65 摄氏度，如果持续在高温下工作，会造成电池鼓胀；持续低温工作会造成放电容量不足，并会造成电池不可逆转的损坏。 52.2.4 一致性问题 锂电池在新能源行业的使用一般都是长串联使用，和手机等的单节使用不同，它对电池单体的一致性要求比较高，而且，这

10、个一致性不只是要求静态参数的一致性，更重要的是在使用过程中的特性的一致性，众所周知，由于木桶原则，整个电池组性能的发挥决定于性能最差的电池，我们在这里也可以解释成为取决于动态参数偏差最大的电池。 3 电池的选择策略 由于前面叙述的电池组的不同的应用和使用的限制问题，我们对于如何选择合适的电池进行组配需要进行仔细的计算和分析，同时还要考虑到由于一致性影响造成的性能损失，因此我们必须根据电池组的使用情况要求、电池的实际性能进行电池的选定。 3.1 电池参数的确定 3.1.1 电池的常见参数： 标称电压。标称电压是指电池在出厂时厂家标称的额定电压，一般钴酸锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂作为正极材料的电池其标

11、称电压是3.7V，磷酸铁锂作为正极材料的电池其标称电压是 3.2V。 内阻。电池内阻欧姆极化电阻：隔膜电阻，电极电阻，各种接触电阻，伏安特性的直线部分和化学电阻（极板所涂化学物质所引起） 。还可分为静态内阻，极化内阻，关心的静态内阻，在测量时除去极化内阻很困难。由于电池内阻很小（m 级）所以精确测量内阻很困难。 目前行业中应用的电池内阻测量方法主要有以下两种： 1）直流放电内阻测量法。根据物理公式 R=V/I，测试设备让电池在6短时间内（一般为 2-3 秒）强制通过一个很大的恒定直流电流（目前一般使用 40A-80A 的大电流） ，测量此时电池两端的电压，并按公式计算出当前的电池内阻。 2）交

12、流压降内阻测量法。因为电池实际上等效于一个有源电阻，因此我们给电池施加一个固定频率和固定电流（目前一般使用 1KHZ 频率，50mA 小电流） ，然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。 容量。锂电池的容量一般用 AH 表示，通俗的讲就是指电池所能放出的能量大小，一般对于动力或储能的新能源电池，它是指电池满充电后，以 0.33C3A 的恒流放电至终止电压的容量。 放电曲线。 图 1 是某款磷酸铁锂电池的恒流放电曲线。 3.1.2 电池组设计需要的参数 从上边的论述中，我们可以对电池特性有了一定的了解，因此，我们如果想进行电池组的设计，我们就必须知道一

13、些必要的参数，主要有以下几个方面： 电池组工作电压。最大持续充电电流。最大持续放电电流。最大瞬态充电电流。最大瞬态放电电流。恒定电流（或者功率）输出状态下的工作时间。 以上参数是进行电池组设计的必须了解的参数，我们将在下面通过一个实际例子进行一下说明。 3.2 电池组组配常见选择方案 案例：某一个车用电池组，最大瞬态工作电流 400A，最大持续工作电流 200A，正常巡航电流 50A，要求巡航7状态持续工作时间 4 小时，电池组工作电压范围 360390V，要求使用磷酸铁锂电池。 3.2.1 组配方案 首先，我们从上述信息中的电池组工作电压上可以看到，其工作电压范围是 360V390V，对于磷

14、酸铁锂电池来讲，其标称电压是 3.2V，最高工作电压是 3.4V，其最低持续工作电压建议不低于3.0V，这样我们可以计算一下：390/3.4115，360/3.0=120。 因此，我们为了满足工作电压要求，可以确定使用 120 串的电池组，这样，电池组的实际持续工作电压范围就是 360V408V。 电池电压确定了，下面需要确定电池的容量了。 从上面的条件上我们可以看出，电池组需要以 50A 的工作电流连续工作 4 小时，这样需要的可用容量是 50*4=200AH，按照笔者以往设计的电池组来看，120 串的电池组需要可用容量为 200AH，再考虑到使用后的容量衰减，一般需要保留 2025%的设计

15、余量，这样的话，我们实际需要设计的容量应该在 250AH，这样我们需要的电池组标称参数就可以确定为384V250AH。 3.2.2 电池的选择 到这里，我们已经确定了电池组的基本参数了，接着就是确定电池的基本参数了。 现在需要确认的是电池的内阻范围。 简单来说，电池的可以等效为一个理想电池和电阻的串联，这个电阻我们就可以理解为内阻。 按照电池的工作原理，不论充放电时，内阻会分掉一部分压降，同理，我们可以从电池组的充放电输出输入的电压和电流要求来计算一下8单串允许的内阻。 按照上面的案例，由于一般充电电流都是比较小，我们按照放电电流和压降来计算。 单节电池的初始电压一般是 3.33V（这个案例中

16、使用的是磷酸铁锂电池，前面已经说明） ，持续最大放电电流是 200A，按照单节电池电压降低到 3.0V 计算，这样算下来， （3.33-3.00）/200=1.65 毫欧，也就是说，单节电池的内阻要小于等于 1.65 毫欧。 然后我们反推验证一下： 持续 200A 放电的时候，单串电池输出电压是 3.33-200*0.00165=3V 瞬态 400A 放电的时候，单串电池输出电压是 3.33-400*0.00165=2.67V 巡航 50A 放电的时候，单串电池输出电压是 3.33-50*0.00165=3.25V 从上面的数据上看，当瞬态 400A 放电输出的时候，电池压降比较小，因为一般的

17、电池管理系统（BMS）会设置 2.5V 为磷酸铁锂电池的放电下限保护电压，再加上电池持续工作后的衰减，内阻会变大，有可能造成不能正常工作，因此我们还需要进行调整，一般建议，新电池组出厂时，在进行最大电流放电时，单串电池的压降不要小于 2.8V，这样，我们再推算一下，单串电池内阻应该在 1.33 毫欧以下比较合适。 到现在位置，电池的串联数，容量要求以及内阻我们已经确定了，下面需要的就是具体如何选择电池了。 常规方式。从上面的计算，我们可以看出，我们需要单串 250AH的容量，单串 1.33 毫欧以下的内阻，考虑到电池串联的内阻，单串电池9内阻还需要更小一些，这个量我们可以从我们使用的串联的连接

18、片计算出来，在这里我们为了后面讨论方便，姑且认为单串电池内阻必须控制在 1 毫欧以下（不含连接电阻） 。 由于一般动力（储能）电池容量规格比较多，实现的时候，我们可以采用 50AH 的电池 5 并，或者 120AH 的电池 2 并，或者单节 250AH 左右的电池，通过串并联实现电池组。 有一点需要注意，由于目前电池生产工艺的问题，电池内阻的一致性不是很好，在组配的时候一定要注意的是并联的电池内阻一定要接近，否则由于分电流大小不同会引起电池差异变大。 经过上面的条件分析，我们就可以在待选电池中进行选择，选择内阻容量等满足条件的电池进行配组了。目前的成组电池的组配基本上都是这样进行的。 优化。按

19、照上述方式，我们已经基本上可以完成电池组的配组了，但是，这里面实际还存在一个问题，那就是我们目前使用的数据都是静态数据，但是电池产品时是个电化学的产品，这样选择出来的产品在实际进行充放电循环的时候，还会出现单体电池的差异，这个问题也是会严重影响组配后电池组的效率和性能的。 目前，对于这种情况，现行的方案一般有两种，一种是通过完成后的几次循环测试，更换掉差异较大的单体，另外一种就是通过电池管理系统的动态均衡功能进行补偿，而往往这两种方法是同时使用的。 4 结论 锂离子电池在新能源方面的应用是很广泛的，但是同时，目前还有10许多其他的电池产品出现，如钠硫电池，锌空电池等等，和其他电池相比，锂离子电池有自己的优势，也有自己的弱点，最终如何定位，如何使用，还有一段比较长的路需要走下去，但不管怎么说，锂离子电池在新能源产业中，必将占据一个不小的份额。 参考文献： 1美 戴维?林登 托马斯?B?雷迪，汪继强等译.电池手册【原著第三版】.北京化学工业出版社.ISBN 978-7-5025-9875-4. 2刘勇，梁霍秀.水下装备用锂离子电池的研制进展J.电源技术，2008， （07）. 3郭丰.锂离子电池管理技术研究J.电子工业专用设备， 2007， （11）.