五)鋰電池命名規(guī)則
不同的廠家有不同的命名規(guī)則,但通用電池大家都遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)電池的名稱可以知道電池的尺寸等。
IEC61960規(guī)定,圓柱形和方形電池的規(guī)則如下:
1. 圓柱形電池,3個字母后跟5個數(shù)字,
3個字母,第一個字母表示負(fù)極材料,I表示有內(nèi)置的鋰離子,L表示鋰金屬或鋰合金電極。第二個字母表示正極材料,C表示鈷,N表示鎳,M表示錳,V表示釩。第三個字母為為R表示圓柱形。
5個數(shù)字,前2個數(shù)字表示直徑,后3個數(shù)字表示高度,單位都為mm。
2. 方形電池,3個字母后更6個數(shù)字,
3個字母,前兩個字母的意義和圓柱形一樣,后一個字母為P表示為方形。
6個數(shù)字,前2個數(shù)字表示厚度,中間2個表示寬度,后面2個表示高度(長度),單位也為mm。
如:ICR 18650就是直徑為18mm,高度為65mm的通用的18650圓柱形電池;
ICP 053353就是厚度為5mm,寬度為33mm,高度(長度)為53mm的方形電池。
電池參數(shù)
(六)鋰電池工藝
不同的電池、不通的廠家工藝流程有一定的差異,詳細(xì)的工藝流程會很復(fù)雜,下面列出基本的工藝流程,電芯制作的工藝流程和PACK制作的工藝流程。
電芯生產(chǎn)工藝流程主要為極片制造、電芯制作、電池裝配、注液、化成、分選等工序。
從配料到卷繞,是正極、負(fù)極分不同的車間同時做的,正負(fù)極做好后再一起做后面的工序。中間會插入不同的品質(zhì)檢測QA環(huán)節(jié)。
(七)電池的成組和串并聯(lián)
應(yīng)用在不同的領(lǐng)域中,對電池的要求不一樣,系統(tǒng)對電壓,容量,內(nèi)阻等都有一些特殊的要求。往往單節(jié)電池不能滿足要求,需要電池串并聯(lián)后才能給外供電。
電池串并聯(lián)后的性能由最差那一節(jié)電池的性能決定,也就是我們常說的“木桶原理”,因此電池成組最重要的一點(diǎn)就是電池性能參數(shù)的一致性。
像筆記本,電動自行車,電動汽車,儲能系統(tǒng)等都需要考慮電池的串并聯(lián)組成電池包。
筆記本電池電壓一般是11.1V或14.8V,主要采用18650電池,所以一般2串3并或2串4并。
Apple iPAD就是3塊聚合物電池并聯(lián),容量25Wh左右。
電動自行車和電動摩托車系統(tǒng)一般是24V、36V、48V、60V、72V系統(tǒng),具體成組情況見下表(S代表串聯(lián))。
純電動汽車和混合動力(EV/PHEV)電壓更高,250~500V左右,最大會串聯(lián)到150節(jié)以上。
另外電池成組串并聯(lián)是要考慮很多東西,電池的電壓平臺的一致性,電池的容量的一致性,電池的內(nèi)阻的一致性等。電池的串并聯(lián)后其參數(shù)的一致性對電池的性能和壽命有很大的影響。
(八)各種動力電池對比
動力電池主要是更具其應(yīng)用來考慮的,主要應(yīng)用在電動電動汽車、電動自行車、電動工具等。
動力電池區(qū)別于普通電池又其一定的特殊性:
1. 電池的串并聯(lián)
2. 電池的容量較大
3. 電池的放電倍率較大(混合動力和電動工具)
4. 電池的安全性要求較高
5. 電池的工作溫度范圍較寬
6. 電池的使用壽命長,一般要求5~10年
由于動力電池的特殊性,其工藝和材料的也存在一定的差異,根據(jù)正極材料的情況主要分為錳酸鋰(LiMn2O4)、三元鋰(LiNixCoyMnzO2)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)等,其電壓平臺、能量密度、價(jià)格、安全性等都有一定的差異,具體見下表的對比:
(其中鈷酸鋰由于其穩(wěn)定性較差,價(jià)格較高等原因很少用做動力電池,放在下表一并列出對比)
序號
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參數(shù)
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鈷酸鋰
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三元鋰
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錳酸鋰
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磷酸鐵鋰
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1
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振實(shí)密度(g/cm3)
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2.8~3.0
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2.0~2.3
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2.2~2.4
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1.0~1.4
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2
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比表面積(m2/g)
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0.4~0.6
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0.2~0.4
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0.4~0.8
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12~20
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3
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容量密度(Ah/kg)
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135~140
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155~165
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100~115
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130~140
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4
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電壓平臺(V)
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3.7
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3.6
|
3.6
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3.2
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5
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循環(huán)性能
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>300
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>800
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>500
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>2000
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6
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過度金屬
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貧乏
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貧乏
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豐富
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非常豐富
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7
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原料成本
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很高
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高
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低廉
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低廉
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8
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環(huán)保
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含鈷
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含鎳、鈷
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無毒
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無毒
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9
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安全性能
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差
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較好
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良好
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優(yōu)秀
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10
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適用領(lǐng)域
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小電池
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小電池、小型動力電池
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動力電池
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動力電池、超大容量電源
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(九)鋰電池模型
電池內(nèi)阻在電氣特性上,不完全等效為一個電阻,具體可以參考國外的PNGV等效電路模型。如下圖所示。
電池的內(nèi)阻主要由歐姆內(nèi)阻R0還有極化內(nèi)阻R1構(gòu)成,其中C1為極化電容。
電池的內(nèi)阻測量業(yè)內(nèi)有2種主流的測試方式,直流放電法和交流注入法,不能用普通的測電阻的方法測量得到,一般用專門的內(nèi)阻測量儀測試。
電池的內(nèi)阻是反映電池的性能和壽命的一個重要參數(shù)??斓诫姵氐难h(huán)壽命時,電池的內(nèi)阻會急劇變大。如下圖循環(huán)次數(shù)和內(nèi)阻的關(guān)系所示。

(十)鋰電池電氣特性和關(guān)鍵參數(shù)
· 電池的充放電曲線
鋰電池的充放電曲線指的是電池的容量和開路電壓的關(guān)系曲線,根據(jù)電池的放電曲線,可以粗略的估計(jì)電池的電量,如下圖所示。
鋰電池的充放電曲線不僅與充電放電電流的大小有關(guān)還與溫度有關(guān)。如下圖所示。
· 電池的關(guān)鍵參數(shù)
鋰電池由于其本身特性決定不能過充、不能過放、不能過流、不能過溫,因此考慮安全性和電池壽命,電池要做好相關(guān)保護(hù)。有幾個參數(shù)是經(jīng)常碰到的,一并列出來。電壓情況不同廠商差異不大,工作溫度和放電倍率不同的電池或不同的廠家會有一些差異。
錳酸鋰/三元鋰
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磷酸鐵鋰
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電壓平臺
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3.7V/3.6V
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電壓平臺
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3.2V
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充電終止電壓
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4.2V
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充電終止電壓
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3.6V
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放電終止電壓
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3.0V
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放電終止電壓
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2.0V
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工作溫度范圍
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-20~60℃
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工作溫度范圍
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-10~65℃
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最大放電倍率
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3~10C
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最大放電倍率
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3~10C
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(十)鋰電池保護(hù)和管理要求和系統(tǒng)
由于鋰電池本身的特性決定一定要加電池保護(hù)板(PCM)或電池管理系統(tǒng)(BMS),沒有保護(hù)板或管理系統(tǒng)的電池是禁止使用的,會存在巨大的安全隱患。對電池系統(tǒng)來說安全永遠(yuǎn)是第一位的。電池如果沒有很好的保護(hù)或管理,可能存在壽命變短、損壞或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。
電池保護(hù)板(PCM : Power Circuit Module)主要應(yīng)用在像手機(jī)、筆記本等消費(fèi)類產(chǎn)品。
電池管理系統(tǒng)(BMS : Battery Management System)主要應(yīng)用在動力電池,像電動汽車、電動自行車、儲能等大型系統(tǒng)。
電池保護(hù)(PCM)主要功能,電池過充保護(hù)(OVP)、過放保護(hù)(UVP)、過溫保護(hù)(OTP)、過流保護(hù)(OCP)等。一旦出現(xiàn)異常情況,系統(tǒng)自動切斷,確保系統(tǒng)安全。
電池保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)已非常成熟,相關(guān)的板廠很多,主要集中在華南地區(qū),并且有專門的IC廠商提供專門的鋰電池保護(hù)芯片,這一塊在芯片已經(jīng)相對比較成熟,國內(nèi)已有很多成熟的產(chǎn)品。
鋰電池保護(hù)系統(tǒng)PCM
電池管理系統(tǒng)(BMS)的主要功能除了保護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)基本保護(hù)功能外,還有電池電壓、溫度及電流測量、能量均衡、電量(SOC)計(jì)算及顯示、異常報(bào)警、充放電管理、通信等,有些BMS系統(tǒng)還集成熱量管理、電池加熱、電池健康狀況(SOH)分析、絕緣電阻測量等。
BMS功能介紹及分析:
1. 電池保護(hù),和PCM差不多,過充、過放、過溫、過流,還有短路保護(hù)。像普通的鋰錳電池和三元鋰電池,一旦檢測到任何一節(jié)電池電壓超過4.2V或任何一節(jié)電池電壓低于3.0V系統(tǒng)就會自動切斷充電或放電回路。如果電池溫度超過電池的工作溫度或電流大于電池的放電電流,系統(tǒng)會自動切斷電流通路,保障電池和系統(tǒng)安全。
2. 能量均衡,整個電池包,由于很多節(jié)電池串聯(lián),工作一定時間后,由于其電芯本身的不一致性、工作溫度的不一致性等原因的影響,最后會表現(xiàn)出很大的差異,對電池的壽命和系統(tǒng)的使用有巨大的影響,能量均衡就是彌補(bǔ)電芯個體之間的差異去做一些主動或被動的充電或放電的管理,確保電池的一致性,延長電池的壽命。
業(yè)內(nèi)一般有被動均衡和主動均衡兩類方式,其中被動均衡主要是把電量多的電量通過電阻消耗達(dá)到均衡,主動均衡主要是把電量多的電池的電量通過電容、電感或變壓器轉(zhuǎn)移到電量少的電池達(dá)到均衡。被動和主動均衡對比見下表。
由于主動均衡系統(tǒng)相對復(fù)雜,成本相對較高,主流依然還是被動均衡。
對比項(xiàng)
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被動均衡
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主動均衡
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均衡方式
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電阻消耗
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電感等轉(zhuǎn)移
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均衡效率
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低
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高
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方案成熟度
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成熟
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較成熟
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系統(tǒng)復(fù)雜度
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低
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高
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系統(tǒng)成本
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低
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高
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3.SOC計(jì)算,電池的電量計(jì)算是BMS很重要的一塊,很多系統(tǒng)都需要比較精確知道剩余電量的情況。由于技術(shù)的發(fā)展,SOC的計(jì)算積累的很多的方法,精度要求不高的可以根據(jù)電池電壓判斷剩余電量,精確的方法主要的是電流積分法(又叫Ah法),Q = ∫i dt ,還有內(nèi)阻法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等。業(yè)內(nèi)主流依然是電流計(jì)分法。
4.通信,不同的系統(tǒng)對通信接口的要求不一樣,主流的通信接口有SPI、I2C、CAN、RS485等。其中汽車和儲能系統(tǒng)主要是CAN和RS485。
BMS系統(tǒng)由于競爭還不充分,加之其系統(tǒng)的復(fù)雜性,系統(tǒng)廠商相對較少,相關(guān)的芯片廠商也主要是歐美幾家大廠,國內(nèi)有少數(shù)幾家大公司在研發(fā)。未來的機(jī)會很多,希望在BMS上對技術(shù)、產(chǎn)品和廠家有一些詳細(xì)了解的可以發(fā)email溝通。
· 電池充電要求和系統(tǒng)
鋰電池主流的充電方式是恒流恒壓(CC/CV : Constant Current – Constant Voltage),先恒流充電,到一定的電位后再恒壓充電,好的充電器還可以根據(jù)電池的電壓狀態(tài)涓流充,有些系統(tǒng)在后面還增加了脈沖充電方式,另外根據(jù)時間設(shè)置充電結(jié)束。
一般的充電器都集成有限流、限壓,過壓保護(hù),過流保護(hù),過溫保護(hù),防反接等功能。
具體充電系統(tǒng)如下圖所示。
另外充電器充電一般和PCM或BMS配合在電池恒壓充階段一起做能量均衡。
像普通的鈷酸鋰電池,檢測到電池電壓低于3.0V,充電器啟動涓流充電(0.1C左右),以免損壞電池,當(dāng)電池電壓充到3.0V后改為恒流充電(1C左右,電流大小依據(jù)系統(tǒng)來定),檢測到電池電壓到4.1V轉(zhuǎn)換為恒壓充電,當(dāng)電池電流降到0.1C左右,充電結(jié)束,關(guān)閉充電系統(tǒng)和充電回路。先涓流再恒流最后恒壓,充電曲線如下圖所示。
充電器根據(jù)功率大小的不同,采用不同的控制技術(shù),小功率的主要是線性電源的方案,大功率主要是開關(guān)電源的方案。充電器技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,充電器性能和效率都基本能夠達(dá)到一個比較好的水平,相關(guān)的廠商很多,充電器主要涉及的技術(shù)還主要是電源
(十二)鋰電池應(yīng)用領(lǐng)域
電池主要應(yīng)用在消費(fèi)類產(chǎn)品、數(shù)碼類產(chǎn)品、動力產(chǎn)品、醫(yī)療和安防等。
動力類
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消費(fèi)類
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數(shù)碼類
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醫(yī)療保健類
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安防類
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電熱類
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其他
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電動汽車
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手機(jī)
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數(shù)碼相機(jī)
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掌上心電圖機(jī)
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消防燈
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保暖衣
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電子菜譜
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電動自行車
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筆記本
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數(shù)碼攝像機(jī)
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多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀
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安防攝像
|
發(fā)熱服
|
電動剃須刀
|
電動摩托車
|
平板電腦
|
藍(lán)牙耳機(jī)
|
便攜超聲診斷儀
|
POS機(jī)
|
暖手寶
|
無線充電
|
儲能系統(tǒng)
|
上網(wǎng)本
|
無線鼠標(biāo)
|
便攜血氧儀
|
無線呼叫
|
發(fā)熱鞋墊
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軍用設(shè)備
|
后備電源UPS
|
MID
|
藍(lán)牙鍵盤
|
便攜胎音監(jiān)護(hù)儀
|
無線對講門鈴
|
保暖手套
|
油井探測
|
電動工具
|
GPS
|
車載免提
|
激光治療儀
|
門禁系統(tǒng)
|
|
探照燈
|
航模
|
電子書
|
LED手電筒
|
無線電子醫(yī)療
|
指紋識別
|
|
LED顯示屏
|
|
|
無線音箱
|
內(nèi)窺鏡
|
RFID監(jiān)控
|
|
熱敏打印
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|
|
警示燈
|
眼部護(hù)理
|
ZigBee防盜
|
|
考勤機(jī)
|
|
|
擴(kuò)音器
|
足底按摩
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|
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|
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移動備用電源
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理療產(chǎn)品
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