1.2 锂电池工作机理分析

1.2.1 锂电池简述

锂电池系统本身是集化学、电气和机械特性于一体的复杂系统，因此在设计时必须考虑各方面特性的要求，尤其是电池电芯化学特性所包含的安全性和寿命衰减特性，无法直观评测，也不易短时间内预测。因此，在设计电池系统时，需要采用电池技术、成组技术和BMS技术，还要兼顾电池的安全性、可靠性和耐用性。锂电池通常有两种外形：圆柱形和长方形。圆柱形锂电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细且渗透性很强的薄膜隔离材料（主要有聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯与聚丙烯复合等材料）在正、负极间间隔而成。而长方形锂电池则是通过叠片形式构成，正极上放置隔膜，然后放置负极，以此类推并逐次叠加而成。正极包括由含锂材料[如钴酸锂、锰酸锂和镍钴锰酸锂（即三元材料）的一种或几种混合材料] 组成的锂离子收集极、由铝薄膜组成的电流收集极。负极由层状碳材料组成的锂离子收集极、铜薄膜组成的电流收集极构成。电池内充满有机电解质溶液，装有安全阀和正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）元件，具有热阻小、换热效率高、不燃烧和安全可靠等优点，并且能够有效防止电池在不正常状态或输出短路时受到伤害。

当受到短路、高热和过充电等异常因素的影响时，电池内部容易有高压气体产生，会引起电池壳体变形，甚至还有爆炸的危险。为了使其能够安全地使用，必须在电池中装配安全阀。当电池容器内部压力上升到异常状态时，安全阀能够迅速地开启并将气体排出，起到异常情况下的安全保护作用。由于PTC元件在正常温度下是在低电阻状态，异常时可通过调节电流来防止电池过热发生危险。例如由短路或过充电导致的异常大电流而过热时，PTC元件转换成极高电阻状态，以降低回路中的电流，因此通常使用PTC元件来防止电池过电流及由此引起的过热，对电池起到保护作用。单节锂电池的电压一般为2.8～4.2V，其容量一般为1.5A·h，而动力锂电池的单体容量一般在2～200A·h。对于新能源汽车来说，需要几百伏的电压才能满足续航里程的要求，而电池单体无法提供高的电压和电量，因此常常将单体锂电池进行串、并联处理，组成电池组，以满足电压和容量的要求。