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锂电池寿命影响因数和保护的必要性

发布日期:2018-04-16 浏览:237 次  
 

 当前,电动工具的发展呈现小型化,轻型化,无绳化趋势。在便携式电动工具的应用中,镍镉电池的使用正受到越来越多的限制。同时,由于镍、钴等有色金属价格的成倍上涨,及动力型锂离子电池的新材料应用和规模化生产,大大缩小了锂离子电池与镍镉、镍氢电池的成本差距。这些因素有力的促进和推动了锂离子电池在便携式电动工具上的应用和发展。

1概述
锂离子电池必须考虑充电、放电时的安全性以及电芯个体间的一致性,以防止特性劣化。锂电池能量密度较高难以确保电池的安全性,在过度充电状态下,电池温度上升后能量过剩,于是电解液分解而产生气体,易使内压上升而产生自燃或破裂现象;反之,在过度放电状态下,电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化,减少了可充电次数。而温度的变化,特别是低温状态下,会导致以上两种情况更加容易出现。因此,锂电池的过充、过度放电、过电流、短路及温度保护很重要,所以通常都会在电池包内设计保护线路,用以保护锂电池。
 
2分析
2.1 电池电压过高以及对应的过充电保护正常情况下,锂电池充电至4.2 V,同时,充电电流<0.1 C或0.05 C时,表征电池充满。将3000 mAh电池从3.0 V充满,得到容量曲线如图1所示:将电池分为三组,考察充电电压对电池寿命的影响。分别将充电截止电压设定为4.200 V,4.275 V以及4.350 V,放电截止电压统一设定为3.0 V,以此条件进行电池的充放电循环,记录电池容量的变化。如图2所示。
图中显示,由于充电电压的提高,3号电池的初始放电容量大于l号和2号。但是,经过约20次循环后,电池容量开始急剧下降;2号电池有类似的表现,但由于充电截止点略低,约130次循环后,电池容量开始衰减。所以,电池的充电电压越高,寿命下降(或衰减速度)则越快。
 
参照对于电池300次循环后剩余80%电量的要求,2号和3号都是不能满足的。1号正好可以达到,即正常情况下锂电池充电电压不应该大于4.2 V。而相对应的,过充保护是限定电池电压超出此范围的。因为超过此范围,就一定会导致电池寿命的下降。而且电池电压越高,危险系数就越大,一般超过4.25 V就需要特别警戒,有可能出现爆炸的危险。因此,结合充电终止电压对电池容量和3号电池放电深度为100%,即每次都将电池容量放光。在250次循环之后,电池的容量衰减极快,即放电深度越大,电池衰减越快。
一般情况下,终止电压最低不能低于2.5 V或2.4 V。当电池电压低于2.4 V时,电池将进人深度放电,锂电池的放电深度越深,其充电寿命就越短,会导致电池的使用寿命变短。
在实际应用中,通常用设置过放保护终止电压的方式来控制深度放电。过放电保护终止电压的设置,需要参考应用设备的放电电流以及应用环境,但应高于2.4 V。
 
2.3锂电池的大电流放电以及过电流保护实验设定:使用同一块锂电池,以不同的放电倍率进行放电,得到可放出容量。如图5所示。从图中看出,随着放电倍率的提高,电池的放电容量和放电电压平台均有下降,2C、3C的放电容量分别是lC放电容量的89.6%和68.4%,2C、3C放电时3.6 V以上容量占总容量的64.3%和57.2%,说明电池放电倍率对电池的放电容量有很大影响。
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