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动力电池能量密度全面解析

锂电联盟会长 ? 2019-01-26 16:55 ? 次阅读

能量密度有哪些小秘密呢?

能量密度(Energy density)是指在单位一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度一般分重量能量密度和体积能量密度两个维度。

电池重量能量密度=电池容量×放电平台/重量,基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)。

电池体积能量密度=电池容量×放电平台/体积,基本单位为Wh/L(瓦时/升)。

电池的能量密度越大,单位体积、或重量内存储的电量越多。

电池的能量密度常常指向两个不同的概念,一个是单体电芯的能量密度,一个是电池系统的能量密度。

电芯是一个电池系统的最小单元。M 个电芯组成一个模组,N 个模组组成一个电池包,这是车用动力电池的基本结构。

动力电池系统构造示意图

单体电芯能量密度,顾名思义是单个电芯级别的能量密度。

根据《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划:2020年,电池能量密度达到300Wh/kg;2025年,电池能量密度达到400Wh/kg;2030年,电池能量密度达到500Wh/kg。这里指的就是单个电芯级别的能量密度。

系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。因为电池系统内部包含电池管理系统,热管理系统,高低压回路等占据了电池系统的部分重量和内部空间,因此电池系统的能量密度都比单体能量密度低。

系统能量密度=电池系统电量/电池系统重量OR电池系统体积

究竟是什么限制了锂电池的能量密度?电池背后的化学体系是主要原因难逃其咎。

一般而言,锂电池的四个部分非常关键:正极,负极,电解质,膈膜。正负极是发生化学反应的地方,相当于任督二脉,重要地位可见一斑。

动力电池能量密度全面解析

方壳电芯结构图

我们都知道以三元锂为正极的电池包系统能量密度要高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统。这是为什么呢?

现有的锂离子电池负极材料多以石墨为主,石墨的理论克容量372mAh/g。正极材料磷酸铁锂理论克容量只有160mAh/g,而三元材料镍钴锰(NCM)约为200mAh/g。

根据木桶理论,水位的高低决定于木桶最短处,锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料。

磷酸铁锂的电压平台是3.2V,三元的这一指标则是3.7V,两相比较,能量密度高下立分:16%的差额。

当然,除了化学体系,生产工艺水平如压实密度、箔材厚度等,也会影响能量密度。一般来说,压实密度越大,在有限空间内,电池的容量就越高,所以主材的压实密度也被看做电池能量密度的参考指标之一。

如果你能坚持每行读下来一直读到这里。恭喜,你对电池的理解已经上了一次。

新材料体系的采用、锂电池结构的精调、制造能力的提升是研发工程师“长袖善舞”的三块舞台。下面,我们会从单体和系统两个维度进行讲解。

——单体能量密度,主要依靠化学体系的突破

01

增大电池尺寸

电池厂家可以通过增大原来电池尺寸来达到电量扩容的效果。我们最熟悉的例子莫过于:率先使用松下18650电池的知名电动车企特斯拉将换装新款21700电池。

动力电池能量密度全面解析

不同尺寸的圆柱电池对比

但是电芯“变胖”或者“长个”只是治标,并不治本。釜底抽薪的办法,是从构成电池单元的正负极材料以及电解液成分中,找到提高能量密度的关键娱乐城白菜论坛。

02

化学体系变革

前面提到,电池的能量密度受制于由电池的正负极。由于目前负极材料的能量密度远大于正极,所以提高能量密度就要不断升级正极材料。

高镍正极

三元材料通指镍钴锰酸锂氧化物大家族,我们可以通过改变镍、钴、锰这三种元素的比例来改变电池的性能。

在图中几种典型三元材料中可以看出,镍的占比越来越高,钴的占比越来越低。镍的含量越高,意味着电芯的比容量就越高。另外,由于钴资源稀缺,提高镍的比例,将降低的降低钴的使用量。

不同正极材料的克容量对比

硅碳负极

硅基负极材料的比容量可以达到4200mAh/g,远高于石墨负极理论比容量的372mAh/g,因此成为石墨负极的有力替代者。

目前,用硅碳复合材料来提升电池能量密度的方式,已是业界公认的锂离子电池负极材料发展方向之一。特斯拉发布的Model 3就采用了硅碳负极。

在未来,如果想要百尺竿头更进一步——突破单体电芯350Wh/kg的关口,业内同行们可能需要着眼于锂金属负极型的电池体系,不过这也意味着整个电池制作工艺的更迭与精进。

动力电池能量密度全面解析

锂离子电池电池体系的高能化发展趋势

系统能量密度:提升电池包的成组效率

03

电池包的成组考验的是电池“攻城狮“们对单体电芯和模组排兵布阵的能力,需要以安全性为前提,最大程度地利用每一寸空间。

电池包的“瘦身”主要有以下几种方式。

优化排布结构

从外形尺寸方面,可以优化系统内部的布置,让电池包内部零部件排布更加紧凑高效

拓扑优化  

我们通过仿真计算在确保刚强度及结构可靠性的前提下,实现减重设计。通过该娱乐城白菜论坛,可以实现拓扑优化和形貌优化最终帮助实现电池箱体轻量化。

选材

我们可以选择低密度材料,如电池包上盖已经从传统的钣金上盖逐步转变为复合材料上盖,可以减重约35%。针对电池包下箱体,已经从传统的钣金方案逐步转变为铝型材的方案,减重量约40%,轻量化效果明显。 

整车一体化设计

整车一体化设计与整车结构设计通盘考虑,尽可能共享、共用结构件,例如防碰撞设计,实现极致的轻量化

电池是一个很全方位的产品,你要提升某一方面的性能,可能会牺牲其他方面的性能,这是电池设计研发的理解基础。动力电池属于车载专用,因而能量密度不是衡量电池品质的唯一尺度。应以安全为根本原则,在安全的前提下,努力提升能量密度,兼顾寿命和功率等其它性能指标。

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原文标题:【干货】动力电池能量密度全面解析

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BQ27010 单节锂电池和锂聚合物电池电量监测计 IC

BQ27541-G1 具有集成 LDO 的电池组端 Impedance Track 电池电量监测

信息 Texas仪器bq27541-G1锂离子电池电量计是一种微控制器外围设备,可为单节锂离子电池组提供电量计量。该器件几乎不需要系统微控制器固件开发来实现精确的电池电量计量bq27541-G1位于电池组内或系统主板上,带有嵌入式电池(不可拆卸)。 bq27541-G1使用获得专利的Impedance Track?算法进行电量计量,并提供剩余电池容量(mAh),充电状态(%)等信息,运行时间为空(最小),电池电压(mV)和温度(°C)。它还提供内部短路或制表断开事件的检测。 bq27541-G1还使用SHA-1 / HMAC认证算法集成了对安全电池组认证的支持 优势特点 用于1系列(1sXp)锂离子电池应用的电池电量计32Ahr容量 微控制器外设提供: 精确的电池电量计支持高达32Ahr 用于电池温度报告的内部或外部温度传感器 SHA-1 / HMAC认证 终身数据记录 > 64字节的非易失性划痕垫FLASH 基于专利阻抗跟踪娱乐城白菜论坛的电池电量计量 模型电池放电曲线,用于准确的时间到空预测 自动调整电池老化,电池自放电,&n温度/速率低效 低值检测电阻(5mΩ至20mΩ) 高级电量计功能 内部短暂检测 标签断开检测 ...
发表于 04-18 19:10 ? 8次 阅读
BQ27541-G1 具有集成 LDO 的电池组端 Impedance Track 电池电量监测

BQ24278 具有电源路径的 2.5A 单输入单节开关模式锂离子电池充电器

信息描述 bq24278 高度集成的单节锂离子电池充电器和系统电源路径管理器件针对空间有限且带有高容量电池的便携式应用。 单节充电器由一个诸如 AC(交流)适配器或者无线电源的专用充电源供电运行。此电源路径管理特性使得 bq24278 能够在为电池独立充电的同时从一个高效 DC 到 DC 转换器为系统供电。 此充电器一直监视电池电流并在系统负载所需电流超过输入电流限制时减少充电电流。 这样可实现正常的充电终止和定时器运行。 系统电压被调节至电池电压,但不会下降至低于 3.5V。 最小系统电压支持使得此系统能够与一个残次品或者有缺失的电池组一起运行并且即使在电池完全放电或者无电池的情况下也可实现瞬时系统启动。 当适配器不能传送峰值系统电流时,此电源路径管理架构还允许电池补充系统电流需要。 这样可使用较小的适配器。 电池充电经历以下三个阶段:充电,恒定电流和恒定电压。 在所有的充电阶段,一个内部控制环路监视 IC 结温并且在超过内部温度阀值的情况下减少充电电流。 此外,bq24278 提供一个基于电压的电池组热敏电阻器监控输入 (TS) 来监控电池温度以保证安全充电。特性 具有独立电源路径控制的高效开关模式充电器从深度放电电池或者在无电...
发表于 04-18 19:10 ? 6次 阅读
BQ24278 具有电源路径的 2.5A 单输入单节开关模式锂离子电池充电器

嗨! 我还没有33500,但我现在正在研究它,但必须首先回答几个问题。 希望你们能帮忙。 我正在寻找具有任意功能和1MS内存的...
发表于 04-18 15:55 ? 30次 阅读

您好,我在U1604B上遇到了一些麻烦。 它显示不正确的时间和日期,如计算机备用电池耗尽。 它是在U1604B上设置时间和日期之...
发表于 04-18 15:32 ? 35次 阅读

NEC Energy Solutions公司部署的电池储能系统解决方案

这个容量为18MW/7.5MWh的电池储能系统由瑞士最大的配电厂商EKZ公司拥有和运营,主要用于频率....
的头像 高工锂电 发表于 04-18 14:51 ? 113次 阅读
NEC Energy Solutions公司部署的电池储能系统解决方案

PCB双面板的画法及布线技巧

在当今激烈竞争的电池供电市场中,由于成本指标限制,设计人员常常使用双面板。尽管多层板(4层、6层及8....
发表于 04-18 14:50 ? 307次 阅读
PCB双面板的画法及布线技巧

铅酸电池龙头骆驼股份2018年年报显示,公司当年实现销售收入92亿元

“我们还是希望从主机配套开始,重点开发12V启停、48V启停、PHEV电池等项目,目前已经得到东风日....
的头像 高工锂电 发表于 04-18 14:43 ? 252次 阅读
铅酸电池龙头骆驼股份2018年年报显示,公司当年实现销售收入92亿元

瑞士初创公司Innolith宣称,其新款高密度锂离子电池取得重大突破

Innolith指出,该公司将通过在德国的初步试生产把这款创新电池推向市场,随后将与主要电池和汽车公....
的头像 高工锂电 发表于 04-18 14:36 ? 300次 阅读
瑞士初创公司Innolith宣称,其新款高密度锂离子电池取得重大突破

松下在特斯拉内华达州电池厂的电池生产线一直在约束着Model 3的产量

如图所示,马斯克在自己的推特(Twitter)上写道,松下在特斯拉超级工厂的电池生产线产能仅约为24....
的头像 高工锂电 发表于 04-18 14:25 ? 254次 阅读
松下在特斯拉内华达州电池厂的电池生产线一直在约束着Model 3的产量

Sila Nano宣布,戴姆勒股份公司已投资1.7亿美元收购Sila Nano的少数股权

Sila Nano公司总部位于加利福尼亚州阿拉米达,开发了一种硅基负极用于替代锂电池中的石墨。该公司....
的头像 高工锂电 发表于 04-18 14:00 ? 388次 阅读
Sila Nano宣布,戴姆勒股份公司已投资1.7亿美元收购Sila Nano的少数股权

李金勇:超长里程不是解决电动车里程焦虑症根本

续驶里程600公里电池是300公里的2倍,空转不说,电池自重大大增加,对轮胎的磨损会加剧。
的头像 高工锂电 发表于 04-18 11:41 ? 467次 阅读
李金勇:超长里程不是解决电动车里程焦虑症根本

2019-2023年全球储能系统的电池市场规模将增长1477.40兆瓦

根据国际市场机构Technavio最新发布的研究报告透露,2019-2023年期间,全球储能系统(E....
发表于 04-17 17:15 ? 115次 阅读
2019-2023年全球储能系统的电池市场规模将增长1477.40兆瓦

迎头挑战计算机架构 MemVerge获 2450万美元A轮融资

内存融合基础架构(MCI)的发明者MemVerge宣布完成2450万美元A轮融资,本轮投资方包括高榕....
的头像 联动原素 发表于 04-17 14:33 ? 126次 阅读
迎头挑战计算机架构 MemVerge获 2450万美元A轮融资

目前在做一个DC/DC,,前端为电池供电,输出5V/1.5A,由于启动时电池电压有时候会拉倒5.5V左右,选了TPS54239和TPS5...
发表于 04-17 08:56 ? 73次 阅读

赣锋锂业的锂盐产能扩大到什么程度呢?

Mount Marion 位于澳大利亚西部,为世界上第二大投运的锂辉石矿山。Mount Marion....
的头像 高工锂电 发表于 04-15 15:55 ? 360次 阅读
赣锋锂业的锂盐产能扩大到什么程度呢?

强势应对海量数据,内存分析放大招

内存分析已经在如此多的场景顺利落地,并帮助企业巧妙化解行业难题,相信好奇的宝宝们心中已经有了一个疑问....
的头像 嵌入式资讯精选 发表于 04-15 13:50 ? 433次 阅读
强势应对海量数据,内存分析放大招

内存翻车?也许跟这些原因有关

内存条作为DIY硬件里面唯一一件永久质保的东西,一般正常使用都难以损坏。然而由于内存兼容比较复杂和玄....
的头像 台电存储 发表于 04-15 11:46 ? 311次 阅读
内存翻车?也许跟这些原因有关

电路显示BATTERY B安装不正确。由于连接到NEGB的二极管反向偏置,反向电池对负载没有影响...
发表于 04-15 11:42 ? 114次 阅读

目前电池行业正处于去库存过程中

动力电池方面,本周公布了3月中国新能源汽车批发销量、动力电池装机量等数据。新能源汽车:3月我国新能源....
发表于 04-13 10:56 ? 208次 阅读
目前电池行业正处于去库存过程中

澳大利亚构建虚拟发电厂提供电量

随着家庭光伏以及储能的增加,AEMO正着手邀请一些供应商来参与示范项目,包括Sunverge, So....
发表于 04-13 08:26 ? 123次 阅读
澳大利亚构建虚拟发电厂提供电量

戴姆勒为德国布吕尔新奔驰工厂举行奠基仪式 未来将负责生产奔驰EQ车型的电池模组

日前,有外媒报道,戴姆勒公司在德国布吕尔为其新工厂——梅赛德斯-奔驰工厂举行奠基仪式。据了解,该工厂....
发表于 04-12 15:40 ? 221次 阅读
戴姆勒为德国布吕尔新奔驰工厂举行奠基仪式 未来将负责生产奔驰EQ车型的电池模组

LG化学表示已与越南电动汽车厂商VinFast达成协议 将提高电池组的产能

近日,LG化学表示,已与越南电动汽车厂商VinFast达成协议,将共同成立合资公司以提高电池组的产能....
发表于 04-12 15:34 ? 146次 阅读
LG化学表示已与越南电动汽车厂商VinFast达成协议 将提高电池组的产能

2019年新能源政策出台,退坡力度之大令人咋舌

如上表所示,当年2013年续航里程在80到150之间的,就能获得补贴3.5万,这是如今2019年大于....
的头像 汽车工程师 发表于 04-12 14:16 ? 3456次 阅读
2019年新能源政策出台,退坡力度之大令人咋舌

去藕电容的作用是什么

去藕电容就是起到一个电池的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰。去耦电容在集成电路电源....
的头像 发烧友学院 发表于 04-12 14:07 ? 293次 阅读
去藕电容的作用是什么

高歌猛进的“钴奶奶”摔了一跤之后,在2019年还能继续风光吗?

华友钴业、洛阳钼业、盛屯矿业、金川国际、寒锐钴业、格林美等上市钴企都出现了增收不增利或者利润增幅缩小....
的头像 高工锂电 发表于 04-12 13:46 ? 322次 阅读
高歌猛进的“钴奶奶”摔了一跤之后,在2019年还能继续风光吗?

崔屹教授:新型石墨烯材料作为锂负极载体 大大改善电池循环寿命

最近,斯坦福大学崔屹教授课题组,研究了一种新型褶皱石墨烯笼载体(WGC)用于金属锂负极,WGC提供优....
的头像 贵州智能电网产业联盟 发表于 04-12 10:41 ? 684次 阅读
崔屹教授:新型石墨烯材料作为锂负极载体 大大改善电池循环寿命

动力电池单体达300wh/kg已经实现,但量产应用困难重重

从当前动力电池能量密度上升趋势来看,单体300wh/kg的动力电池有望在2020年实现产业化应用,但....
的头像 高工锂电 发表于 04-11 17:13 ? 394次 阅读
动力电池单体达300wh/kg已经实现,但量产应用困难重重

斯坦福、麻省理工与丰田强强联手,合作开发电池寿命模型

为了有助于加速电池研发,斯坦福大学和麻省理工学院的研究人员与丰田研究所合作,利用机器学习开发出一种能....
的头像 高工锂电 发表于 04-11 17:08 ? 240次 阅读
斯坦福、麻省理工与丰田强强联手,合作开发电池寿命模型

德企赛路诺75亿在南京投建新能源电池项目

德国赛路诺公司(Celluno)新能源电池项目启动仪式在南京举行。
的头像 高工锂电 发表于 04-11 15:32 ? 252次 阅读
德企赛路诺75亿在南京投建新能源电池项目

是什么撬动了全球电池储能市场?

电池储能的高速增长受益于哪些因素,又面临着哪些挑战?
的头像 高工锂电 发表于 04-11 15:22 ? 350次 阅读
是什么撬动了全球电池储能市场?

庄信万丰宣布将在波兰建立一个新的电池正材料生产工厂

外媒报道称,为满足欧洲客户的需求,化学公司庄信万丰宣布将在波兰建立一个新的电池正材料生产工厂。
的头像 高工锂电 发表于 04-11 14:48 ? 259次 阅读
庄信万丰宣布将在波兰建立一个新的电池正材料生产工厂

净利从增长26倍到下滑19.38% 华友钴业经历了什么?

尽管华友钴业的钴产品销量在上涨,但钴价大幅下跌削弱了产品毛利率和盈利能力,导致其出现增长收不增利的发....
的头像 高工锂电 发表于 04-11 14:16 ? 317次 阅读
净利从增长26倍到下滑19.38% 华友钴业经历了什么?

超级电容器能当电池吗

作为电动汽车的心脏,动力电池的发展一直都是消费者关注的焦点问题,毕竟电池容量的大小直接影响着续航里程....
的头像 发烧友学院 发表于 04-11 13:45 ? 335次 阅读
超级电容器能当电池吗

电池供电的升压电路
发表于 04-11 12:27 ? 54次 阅读

马斯克表示,特斯拉的目标是要让电池几乎不使用钴

与大众(Volkswagen)汽车电池的钴含量相比,特斯拉Model 3车型电池的钴含量低了四倍以上....
的头像 高工锂电 发表于 04-11 11:49 ? 442次 阅读
马斯克表示,特斯拉的目标是要让电池几乎不使用钴

固态跌完内存跌 为啥白菜价还没是没人买?

2018年苹果手机的销量让资本市场大跌眼镜,三星手机在全球市场来看也已不是当年的三星,国产手机厂商销....
发表于 04-11 09:24 ? 982次 阅读
固态跌完内存跌 为啥白菜价还没是没人买?

我的四轴接了和没接有很大的区别,接了电机明显力量不够,没接稳压模块电机就正常!但是没有接的话电池电压在使用的过程当中感觉...
发表于 04-11 06:36 ? 36次 阅读

请问,如果我想把一组变量(如int a;int c;int b;)在内存中的位置指到一个区域,应该怎么做?有哪位朋友知道,谢谢!!!...
发表于 04-10 14:29 ? 436次 阅读

现设计一款zigbee摇控器,摇控器所用的电池是23A12V标准的电池,也就是说电池输出是12V,那么把12V降到2.3V给CC2530使用,...
发表于 04-10 14:23 ? 175次 阅读

宝马上架了一款“BMW无线车载充电器”,内置4250mAh电池

官方表示,这款产品专为BMW量身打造,可以安装在各类车型的饮料托架中,保证手机放置安全稳定。
的头像 无线电力世界 发表于 04-10 10:41 ? 735次 阅读
宝马上架了一款“BMW无线车载充电器”,内置4250mAh电池

笔记本电脑的日常维护与故障判断详细资料说明

一直以来,笔记本电脑都属于比较昂贵的数码产品。随着大量低价笔记本电脑的上市,笔记本电脑不再高不可攀,....
发表于 04-10 08:00 ? 124次 阅读
笔记本电脑的日常维护与故障判断详细资料说明

为什么手机厂家不做可更换电池了

 如今,在智能手机统治天下的时代,人们对智能手机的要求也越来越高。从上世纪七十年代诞生的第一部手机到....
的头像 发烧友学院 发表于 04-09 14:35 ? 668次 阅读
为什么手机厂家不做可更换电池了

2018年中国负极材料市场规模105亿元

未来三年,负极材料市场竞争将进一步加剧,低端重复产能将被淘汰,拥有核心娱乐城白菜论坛和优势客户渠道的企业才能获....
的头像 高工锂电 发表于 04-08 16:40 ? 509次 阅读
2018年中国负极材料市场规模105亿元

STM32L4XXXX系列微控制器的用户手册免费下载

本参考手册面向应用程序开发人员。它提供了关于如何使用STM32L41xxx/42xxx/43xxx/....
发表于 04-08 08:00 ? 56次 阅读
STM32L4XXXX系列微控制器的用户手册免费下载

这是怎么加的啊,为啥为04 地址不是+1操作吗,与数据类型还有关系?后面为啥为14...
发表于 04-08 07:12 ? 35次 阅读

电动汽车电池相关娱乐城白菜论坛推动电动汽车电池市场发展

根据Technavio最新发布的报告显示,2019-2023年全球电动汽车电池市场年复合增长率将接近....
的头像 第一手机界 发表于 04-06 17:35 ? 919次 阅读
电动汽车电池相关娱乐城白菜论坛推动电动汽车电池市场发展

至2025年全球电动汽车电池回收市场规模年复合增长率将达41.8%

国际市场研究机构Allied Market Research日前发布电动汽车电池回收市场研究报告称,....
的头像 集成电路园地 发表于 04-06 17:23 ? 749次 阅读
至2025年全球电动汽车电池回收市场规模年复合增长率将达41.8%

爆料大神称苹果新iPhone将配备容量更大的电池

近日,爆料大神郭明錤给出消息称,苹果的新一代iPhone将配备更大的电池,以支持iPhone能有效地....
的头像 工控资料窝 发表于 04-06 09:55 ? 370次 阅读
爆料大神称苹果新iPhone将配备容量更大的电池

2019年二季度碳酸锂市场供应和需求走势预测

受冬季季节性影响,青海地区工业级碳酸锂产量受限。据统计,2018年第四季度的青海地区工业级碳酸锂产量....
的头像 农业物联网 发表于 04-06 09:51 ? 412次 阅读
2019年二季度碳酸锂市场供应和需求走势预测

史上最快的内存

对速度追求无极限的芝奇(GSkill)现在又创造了一个世界纪录,全新的幻光戟Trident Z RG....
的头像 发烧友学院 发表于 04-03 17:28 ? 471次 阅读
史上最快的内存

磨长英建议:大力支持高性能锰酸锂电池生产研发和推广使用

近年来,锂离子电池作为一种能源储存设备,因其能量密度大、循环寿命长、无环境污染等优点,形成了一个庞大....
的头像 高工锂电 发表于 04-03 16:47 ? 581次 阅读
磨长英建议:大力支持高性能锰酸锂电池生产研发和推广使用

日产已完成电池运营和生产设施的业务出售

日产汽车有限公司已完成此前宣布向全球领先的数字能源公司远景集团出售其电池运营和生产设施。
发表于 04-02 15:15 ? 104次 阅读
日产已完成电池运营和生产设施的业务出售

电池保护板有什么用

过充保护,在我们以往的单节电池保护电压都会高出电池充饱电压50~150mV。但是动力电池不一样,如果....
的头像 发烧友学院 发表于 04-02 15:11 ? 436次 阅读
电池保护板有什么用