锂离子电池特性及充、放电管理

2023-10-12 02:40

本文主要是介绍锂离子电池特性及充、放电管理,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

锂离子电池基本工作原理和结构

电池的基本原理:正极发生还原反应,得电子;负极发生氧化反应,失电子。电子经过负载,由负极流向正极,形成方向从正极到负极的电流。
介绍锂离子电池的工作原理时,以应用较为广泛的 18650 锂离子电芯为例,下面是发生的化学反应示意图和公式:
        化学老师死的早啊,尼玛这是什么!就算是学霸,也没在高中学化学时见过这样的化学反应式吧。先看放电过程中正极的反应(钴酸根先拿掉)。
  1. 1个 (+1)价锂离子<------ (1-x) 个 (+1/(1-x)) 价锂离子 + x个 (+1) 价锂离子 + x个电子

    令 x=0.5,得:

  1. 1个 (+1) 价锂离子<------0.5个 (+2) 价锂离子 + 0.5个 (+1) 价锂离子 + 0.5个电子

    两边乘以2,得:

  1. 2个 (+1) 价锂离子<------1个(+2)价锂离子 + 1个 (+1) 价锂离子 + 1个电子

    再简化:

1个 (+1) 价锂离子<------1个(+2)价锂离子 + 1个电子

 

        这个公式其实是描述整体反应,而不是描述单个个体反应的。用 简单的话来说就是:
  1. 正极的(+1/(1-x))价(其中,0<x<1)锂离子通过电池负载回路得到负极的电子,被还原成(+1价)锂离子;
  2. 负极的锂原子失去电子,被氧化为(+1)价锂离子,电子从负极流入负载回路,锂离子通过电解质流向正极;
        又回到电池基本原理了吧。正极的核心是 (+1/(1-x)) 价锂离子,负极核心是锂原子,两者反应生成 (+1)价锂原子,氧化还原反应中的电子流动形成电流。
在现实中制作电池时,总需要物质来承载正极的锂离子和负极的锂原子,就好像货物总是需要货架的。那么锂离子的货架就是 钴酸根 离子,与锂离子共同构成正极;负极的锂原子则由带孔石墨等材料构成,不至于反应后,把负极反应没了。正极和负极之间是电解质和隔膜,既用于锂离子流动,也用于隔离正负极,防止内部短路。
为什么要讲锂离子电池的基本工作原理和结构?后面谈锂电池充电、放电截至电压和过充、过放的危害时会用到。

锂离子电池特性

用户最关心的锂离子电池的特性是电容量,比如常说的 2000mAh,指的是在锂电池在正常工作情况下所能放出的电荷数。我们看一份锂离子电池的规格说明书:
        这块电池比较重要的几个参数:
  • 容量            :2500 mAh
  • 充电截止电压:4.2 V
  • 放电截止电压:2.5 V
  • 最大充电电流:4000 mA
  • 最大放电电流:20000 mA
        总之都是围绕电池容量和充放电来考虑的。 电池容量取决于负极能放出多少电子以及正极能吸收多少电子。
为什么会有充电截止电压呢,换句话来说,过压充电后会有什么问题?在前面描述锂离子电池结构时提到,负极是由石墨和锂原子组成的,其实锂并不是以原子形态存在的,而是以锂离子形态和石墨共存的。过压充电后,锂离子会析出为晶体状锂,无法参与充放电,导致电池容量减少。就好像 xxoo 时,插的太深,拔不出来了。
为什么会有放电截至电压呢,换句话说,放电过度后会有什么问题?过度放电后,负极中的锂离子大量流向正极,导致石墨空虚,部分区域发生坍塌,无法再存放锂离子,也会导致电池容量减少。这句话你总该懂吧:小撸怡情,大撸伤身,强撸灰飞烟灭。没错,过度放电后就“灰飞烟灭”了。当你的锂离子电池过度放电时,它就会对你无声地控诉:少年,身体要紧啊!
具体到一个锂电池,它的容量在不同放电电流和温度下也是不同的,且随充放电周期数增多而减少。
下面是某型号锂离子电池温度和电池容量的关系:
下面是某型号锂离子电池放电电流和电池容量的关系:

锂离子电池充电

锂离子电池的充电管理,主要是保证充电电流不能过大,不能过充,温度合适,还要尽可能地提高充电速度。
下面是一份锂离子电池充电过程中电压、电流和容量的变化关系图:
  1. 以 0.7C 电流恒流充电,至电压升至充电截止电压 4.2V
  2. 以充电截止电压 4.2V 恒压充电,至电流降低到 55mA
这里有几个重要参数:
  • 恒流充电电流
  • 恒压充电电压
  • 充电截止电流(充电完成的标志)
恒流充电电压是固定的,绝对不可以随便修改。恒流充电电流只要不超过最大充电电流即可,其大小会影响充电速度。充电截止电流可以自由调节,其大小会影响电池充入的电量和充电时间。

锂离子电池放电

锂离子电池放电时,主要是注意放电电流不要过大和不过度放电就行了。

锂离子电池电量检测

锂离子电池电量检测的核心问题是获取剩余电量和总容量,以提示用户剩余充电时间和剩余放电时间,为用户合理安排时间提供依据。
现在大多数设备为了简化设计,用电池电压来判断剩余电量,在要求不严格的场合可以接受,但是是一种不严谨的行为。电池在同一剩余电量状态下,当处于不同温度、不同放电电流时,电压时不同的。较为严谨的做法是统计电量。
一块新电池安装在设备上后,必须经历一次完整的放电或完整的充电。这样做是考虑到了两点:获取电池总容量和获取当前剩余电量。
  1. 从无电到充满电,检测充入电荷数,得到总容量
  2. 放电一段时间,当前电量 = 前电量- 放电量
  3. 充电一段时间,当前电量 = 前电量 + 充电量
        有了当前电量,再加上当前充电或放电电流,就可以预算剩余充电时间和放电时间;还可以结合总容量,提供电量百分比信息。



来自为知笔记(Wiz)



转载于:https://www.cnblogs.com/JonnyLulu/p/4556170.html

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