前言：

   随着锂电池技术的发展和成本的逐步下降，锂电池在各个领域的应用得到了广泛的普及，其高能量密度，长使用寿命和更符合环保理念等优势突显，在数字化时代的未来，更多的设备将会电气化，新能源作为数字社会的基石，锂电池未来的发展趋势不可限量。

   目前各种锂电池培训班和课程层出不穷，或以卖设备为主，或以收加盟费为主，或是一知半解东拼西凑的课程。为了能更简单易学，少走弯路，本书主要介绍低速动力锂电池，所谓低速动力锂电池是指体积和容量相对较小，持续放电电流50A以内，电池电压100V以内，主要应用于电动自行车，电动三轮车，低速电动四轮车等。本书着重介绍相关维修组装的原理和实际操作中总结出的经验，力求通过我们的介绍不仅能轻松应对低速动力锂电池的维修和组装工作，而且还能举一反三探索更多锂电池的应用场景。

一、锂电池专业术语解读

  1.1 电压 单位伏特 V

      电压是电池两端的电势差，可以类比为水管两端的水压。

  1.2 电流 单位安培 A

      电荷的定向移动形成电流。电流可以是电子在电线类的导体中移动，也可以是离子在正极和负极中的电解液中移动。

  1.3 容量 单位安时 Ah

      电池所存储的电量即安培每小时，表示电池1小时持续充入或放出的电量。如20Ah的电池表示以20A的电流放电能持续放电1小时，以10A的电流持续放电能放电2小时。

  1.4 标称电压

       厂家标注的适当的电压近似值该值持续放电时间最长。如三元锂电池的工作电压是2.8V到4.2V之间，标称电压是3.7V磷酸铁锂的工作电压是2.5V到3.65V之间，标称电压是3.2V，我们是设计电池组计算电压时就是以标称电压为基数计算。

  1.5 标称容量

      厂家标注的电芯存储电能的容量，一般单位是mAh或Ah（1000mAh=1Ah）。标称容量是设计电池组计算容量和保证一致性的重要依据。

  1.6 倍率 C

      电池在充放电时电流与电池标称容量的比率。这对于锂电池是一个非常重要的参数，可根据倍率计算电池的最大充放电时间和充放电电流，如2Ah5C的电池，5C表示最快能在0.2小时放完2Ah的电量即该电池最大持续放电电流能达到10A。

最快放电时间公式：1÷5C=0.2小时

最大放电电流公式：2Ah×5C＝10A）。

也可以把电池比作一个水桶，1C代表有一个水龙头，完全打开这个水龙头刚好1小时把桶里的水放完，5C代表这个桶又增加了4个与之前相同大小的水龙头，水龙头完全打开的状态下5C是1C流量的5倍大，放完一桶水用的时间5C只要1C的五分之一。倍率越大的电芯越贵，须根据使用场景选择适当倍率的电芯，如无人机、航模、电动工具等对体积和重量都有限制，但电机功率大持续放电电流大，又不可能把电池的电压和容量做到足够大，这时就可以通过高倍率的电芯来弥补，一般都用10C以上。低速车一般电压和容量较高，3C或5C的电芯就基本够用。倍率越高内阻越小。

  1.7内阻 单位欧姆 Ω

     电池内部的电阻值，有别于普通电阻的概念，不能用普通万用表测量，需专业的内阻仪测量。这也是锂电池一个非常重要的参数，是组装锂电池分组配对时的重要依据，也是维修时判断电芯好坏的重要指标，也可根据内阻大致判断电芯品质的优劣，内阻越低越好，国产18650电芯一般在20毫欧左右，1欧姆＝1000毫欧。内阻为零或无穷大表明电芯已经损坏。

  1.8 一致性

     同一锂电池组内所有电芯各项重要参数的趋同性，主要是指同一组电芯的内阻、电压、容量、荷电态SOC等所有参数要相同，误差越小越好，一般电压误不超过5mv,内阻不超过3mΩ。这对锂电池的组装和维修至关重要，一致性越好的电池组越稳定寿命越长，且绝大部分电池故障都是由于一致不好所导致。

  1.9 循环寿命

     电池完成一个完整的充放电过程为一个循环，在完成厂家标定的循环次数后，锂电池的剩余容量不小于标称容量的80%为锂电池的循环寿命，锂电池的循环寿命一般为300-2000次，不同材料不同厂家循环寿命不同，以厂家规格书为准。

  1.10放电深度 DOD

     在使用过程中要利用电池容量的多少。比如一组20Ah的电池把20Ah的电放完才保护，它的放电深度就是100%，市面上的保护板是电芯充电到4.2V保护，放电到2.8V保护，这样的设计放电深度就是100%这样会减小电池的稳定性和使用寿命，但是能够安全利用锂电池的所有容量。

  1.11荷电状态SOC

     电池剩余电量相对于电池全部电量的比例。就像汽车的油量表，表示当前电池存储电量的状态。

1.12 均衡

    锂电池基本都是由N支电芯串并联组成，使多串串联电芯的SOC状态基本一致，通过主动调节各串电芯电压尽可能达到一致即为均衡。

1.12 并联P              

多支相同电芯正极和正极相联，负极和相联，多支电芯并联容量增加电压不变。如5支3.7V 2Ah的电芯并联，电压不变还是为3.7V并联后的容量则为：5支×2Ah＝10Ah

1.13 串联S              

多支相同电芯正极和另一支电芯负极相联，多支电芯串电压增加容量不变。如5支3.7V 2Ah的电芯串联，容量不变还是为2Ah，串联后的电压则为：5支×3.7V＝18.5V

注意：不论是并联还是串联，必须要保证一致性。

  1.14 短路

      电流不经过外部用电器直接经由电内部或外部导线在正负极之间形成回路，使所有电流流回电池，这种情况称为短路。

内部短路主要有金属物刺穿电芯外壳造成的强制内部短路，电芯过充后膨胀变形导致电芯内部正负极材料接触短路等。外部短路主要有保护板排线布局不合理，挤压造成排线绝缘胶皮脱落短路。电芯排列时绝缘措施不到位造成的电芯壳体与汇流排，壳体与壳体间的短路等。短路时电流会非常大，会导致空难性后果，锂电池的大多事故都是由短路引起的，所以实操中必须杜绝短路的隐患。

1.15 PACK

根据电压和容量的要求，由许多电芯串联或并联组装成电池组的过程。

1.16 老化

锂电池PACK所指的老化不是指锂电池衰老性能减退，而是指在PACK过程中，成品锂电池在封装出厂前对锂电池组的各项性能指标的测试。可以用专业的老化柜进行，也可以用充放电仪对电池进行充放电循环进行。

  1.17 BMS电池管理系统 保护板

      BMS电池管理系统（图1-1）是电池组的中心控制单元，就像大脑对于人一样重要。BMS也是一个复杂的系统，常见的有分布式BMS，集中式BMS等等。相对于低速动力锂电池和小型PACK厂，目前大多采用购买成品BMS系统，而非自主设计研发。

图1-1

      BMS电池管理系统大家俗称保护板，顾名思义就能理解它的核心作用就是保护锂电池的使用寿命和安全。它的主要功能就是防止电池过充、过放、过载、过压等对电芯的伤害，还可以根据需要选配有以下功能的保护板，如有自动均衡功能，同口充放电或异口充放电功能，温控功能，短路保护功能，外接显示屏实时数据监测功能，与手机蓝牙连接APP监测管理功能，GPS定位功能等各种类型的保护板。

       常用的品牌主要有达锂、嘉佰达、蚂蚁等，都可以网上买到，现在保护板基本都数字集成化，体积不大安装简单，一般只需连接排线（信号采集线）、电池总负（B-）、放电负极（P-）、充电负极（C-异口板才需要接），但不同厂商的保护板的排线连接方式有可能不同，须严格按照保护板厂家的说明安装使用。

  1.18 汇流排

       电芯串联或并联用的连接导体，一般使用的有镍带（钢镀镍、铜镀镍、纯镍）铜排、铜铝复合排等。低速动力电池常用的是镀镍带或纯镍，因为可以直接用点焊机焊接，而铜镀镍、铜排、铜铝复合排等不能使用点焊机焊接，只能使用价格昂贵的激光焊接设备焊接。

      镍带应根据电池组电流的强弱选择相应的厚度和宽度，镍带越厚越宽过流能力越强。

  1.19 转镍

      将镍片通过激光焊或都超声波焊接设备焊牢在电池极耳上，方便组装时使用点焊机或锡焊连接。由于铝壳大单体锂电池和软包聚合物电芯的正极极耳都是铝质构造，点焊机无法将镍带与之焊接，也无法使用普通铬铁锡焊焊接，所以只用使用激光焊接设备在电池极耳上预告焊接一块镍片。一般没有激光焊接设备的PACK厂在采购电芯时都要求供货商完成转镍后交货。

1.20 过充、过放、过流

      单体锂电池即电芯的工作电压和电流必须在额定的范围内，否则不但会造成电芯永久损坏还有可能造成爆炸、燃烧等灾难性的后果。

      过充：三元锂电芯的最低工作电压是2.8V最高工作电压是4.2V，磷酸铁锂电芯的最低工作电压是在2.5V最高工作电压3.65V。过度充电会导致电芯电压超过最高工作电压即为过充。过充会造成电芯膨胀变形永久性损坏或内部短路引起的热失控最终有可能引发燃烧爆炸等重大事故。

      过放：过度放电会导致电芯电压低于最低工作电压即为过放。过放也会造成电芯的永久性损坏以及电芯大量发热引发的热失控安全隐患。

      过流：电池充放电电流过大超过电池的额定电流即为过流，过流也会造成电池的不可逆性损坏。电池额定的充放电电流以电芯厂家规格书为准。

 二、锂离子电池分类

  2.1 按正极材料分类

锂电池我们常用的就是三元锂跟磷酸铁锂，三元锂电池比磷酸铁锂更轻，一致性更好，磷酸铁锂相对于三元锂化学性能更稳定更安全。

2.2 按形状名称分类

      圆柱形如图2-1 常用的有18650、26650、21700等，它们的命名规则是按形状尺寸命名，以18650为例，18指电芯直径18mm，65指高度65mm，0表示形状为圆柱形。

      这类电芯可以灵活组装成不同形状，对空间要求不高，但单支电芯容量较小，组装相对复杂，焊接劳动量大，维修难度大，主要用于要求体积更小或异形外观的电池组。

图2-1

      矩形如图2-2 也称大单体、铝壳电芯，一般外壳是较硬的铝壳或塑料，单支电芯根据不同容量体积也不相同。

      这类电芯组装结构简单，焊接劳动量小，但电池体积受到电芯的限制。

图2-2

      软包电芯如图2-3 也称袋状电芯、聚合物电芯，由柔软的铝塑膜包裹，软包电芯体积相对较小，但是抗膨胀能力差，组装复杂，对PACK工艺要求较高。

图2-3

  2.3 按用途分类

      锂电池按用途可分为两类，一是储能型，这类电池放电倍率低，成本相对较低，常用于充电宝、手机、手电筒等平稳放电的设备。另一类是动力型，这类电池可以高倍率放电，充放电时间快，成本相对较高，常用于电动汽车，电动自行车，电动工具，航模无人机等。

      按特殊使用环境还分高温锂电池和低温锂电池。

  三、锂电池组的基本构造

       锂电池组主要由电芯、保护板（BMS）、汇流排（镍带）、硅胶导线、绝缘青稞纸、抗震EV泡棉、捆扎纤维胶带、环氧板、防水胶、电芯支架、电池外壳等构成。

3.1 电芯

      目前使用最多的电芯还是三元锂和磷酸铁锂为主，形状主要以18650为主，不过大单体电芯的PACK成本更低，对组装的工艺要求也更低，在低速动力电池领域越来越受到青睐。

      设计一组电池如何选择电芯主要考虑的因素有：电压、容量、体积、成本等。以一组60V20Ah的电池组为例，如果用2000mAh的18650三元锂电芯做的话，60V的总电压就需要60V÷3.7V＝16.2串，即需要17串串联，20Ah的总容量就需要20Ah÷2Ah＝10支，即每一串需要10支电芯并联。电池组就是10P17S，总共需要电芯10P×17S=170支。可总结公式为：

电池组总电压V÷单支电芯标称电压V＝电池组的串联数量S

电池组总容量Ah÷单支电芯标称容量Ah＝电池组每串的并联数量P

电池组的串联数量S×电池组的并联数量P=电池组电芯的总数量

      好的电芯才能做出好的电池，因此在组装前必须要经过一致性筛选，如果没有自动分选机也必须用内阻仪手动筛选，有些初学者因为供货商已经做过分容配对就省略此步给电池组埋下很大隐患。一致性筛选的原则是同一厂家同一批次的电芯配组，电压差不超过5mV,内阻差不超过3mΩ,如果采购电芯数量较少，达不到这个误差要求也要尽要能选压并和内阻差小配组。因此在采购电芯时一致性和容量是最核心的指标，目前小批量采购的电芯绝大多数都是B品电芯或拆机电芯一致性更显得尤为重要。

3.2 BMS电池管理系统（保护板）

保护板最基本的工作原理是通过时实监测电池组中每一串电芯的电压，判断充放电电压是否在锂电池安全合理的范围内，以决定充放电过程是否继续进行。通过监测充放电电流判断电流大小是否是在保护板额定电流的范围内，以决定充放电过程是否继续进行，以达到保护电芯，自动均衡，防止过充、过放、过流、短路等。

当前，保护板的功能越来越多也更加智能化，但是本着成本的考量应该根据锂电池组的用途合理选择保护板的类型。保护板保护电流的大小要根据负载电机的功率来计算，公式是：

保护电流A=电机功率W÷电机电压V×2

例如一辆60V的电动自行车电机是800W，800W÷60V×2=26.67A，就可以选用30A或者35A的保护板，保护电流越大价格越贵。类似这种低电压小容量的两轮电动车用锂电池就可以选择异口保护板，因为异口的主要区别是充电电流比同口小，小容量的电池组也不需要大电流充电，就可以选择更便宜的异口板。而电压在60V及以上，负载在2000W以上的高电压大容量电池组选择继电器式的BMS电池管理系统就更安全可靠。

3.3 汇流排（镍带）

      电芯在串并联的连接中主要有镍带点焊、铜排或铝排激光焊、铜排或铝排螺栓紧固、金属导线锡焊连接等方式。

      镍带点焊连接因为效率高，操作简单而被广泛应用，特别是18650、32650、21700等小型圆住体电芯的组装基本都以镍片连接为主。而镍带的材质又以铁镀镍带的经济性应用最广，常用的厚度有0.1mm-0.3mm，宽度有8mm-25mm以及各种支架专用镍片，主要根据电流的大小选择合适的厚度和宽度，横截面积越大承载电流的能力越强。

3.4 电芯支架

      支架（图3-4）能很好的固定电芯，避免电芯间的直接接触，减少短路的风险，增加电池组的稳定性。使用支架会增加电池组的体积，因此可根据使用场景的要求选择是否使用支架。

图3-4

3.5 绝缘和防震材料

      常用的绝缘材料有背胶青稞纸、环氧树脂板、硅胶板、黄腊管、玻璃纤维穿线管等。常用的防震材料主要是EVA泡棉、珍珠棉等。

3.6 外壳

      外壳种类很多，主要有塑料材质的和金属材质的，一般小型电动自行车用小容量48V8Ah、48V12Ah可直接用PVC热缩膜封装和塑料外壳封装，大容量的一般用冷轧板烤漆外壳、不锈钢外壳等金属外壳。

      塑料外壳相对金属外壳有价格优势重量轻壳体绝缘，但强度不高散热效果一般。金属外壳重量更大，强度更高散热效果更好但必须做好壳体绝缘工作。各种材质的外壳都可以在网上淘到，也可以在当地找机加工的或不锈钢加工的定制。直接使用用PVC热缩膜封装的话必须保证电池仓是密闭干燥的环境且需要有一定强度的防护工能。

3.7 其它辅材

      主要的辅材有固定用的：热溶胶、双面胶、玻璃纤维胶带等。防水用的单组分有机硅胶。连接用的焊锡丝、高温硅胶线、品字型插头、安德森插头、T型插头等。显示电池组信息的电流电压表等。