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鋰離子電池性能各參數(shù)的解析

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2021年05月21日  

電壓(V)


開路電壓,顧名思義,即電池外部不接任何負(fù)載或電源,測(cè)量電池正負(fù)極之間的電位差,即為電池的開路電壓。工作電壓,與開路電壓相對(duì)應(yīng),即電池外接上負(fù)載或電源,有電流流過電池,測(cè)量所得的正負(fù)極之間的電位差。


由于電池內(nèi)阻的存在,放電狀態(tài)時(shí)(外接負(fù)載),工作電壓低于開路電壓,充電時(shí)(外接電源)的工作電壓高于開路電壓。


電池容量(Ah)


能夠容納或釋放的電荷Q,Q=It,即電池容量(Ah)=電流(A)x放電時(shí)間(h),單位一般為Ah(安時(shí))或mAh(毫安時(shí))。


比如車內(nèi)蓄電池標(biāo)注16Ah,那么在工作時(shí)電流為1A的時(shí)候,理論上可以使用16小時(shí)。


電池能量(Wh)


電池儲(chǔ)存的能量,單位為Wh(瓦時(shí)),能量(Wh)=電壓(V)×電池容量(Ah)。


如下圖,為標(biāo)識(shí)為3.7V/10000mAh的電池,其能量為37Wh,而假如我們把4節(jié)這樣的電池串聯(lián),就組成了一個(gè)電壓是14.8V,容量為10000mAh的電池組,雖然沒有提高電池容量,但總能量確提高了4倍。


(寫到這兒筆者看了一下自己的充電寶標(biāo)識(shí),特意搜索了下民航規(guī)定不能攜帶超過160Wh…)


復(fù)習(xí)了高中知識(shí),我們下面來一點(diǎn)干貨...


能量密度(Wh/L&Wh/kg)


單位體積或單位質(zhì)量電池釋放的能量。


假如是單位體積,即體積能量密度(Wh/L),很多地方直接簡(jiǎn)稱為能量密度;


假如是單位質(zhì)量,就是質(zhì)量能量密度(Wh/kg),很多地方也叫比能量。


如一節(jié)鋰離子電池重300g,額定電壓為3.7V,容量為10Ah,則其比能量為123Wh/kg。


根據(jù)16年公布的節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖,我們可以大概對(duì)動(dòng)力鋰電池發(fā)展趨勢(shì)有一個(gè)概念,下圖所示,到2020年,純電動(dòng)汽車電池單體比能量要達(dá)到350Wh/kg


功率密度(W/L&W/kg)


將能量除以時(shí)間,便得到功率,單位為W或kW。同樣道理,功率密度是指單位質(zhì)量(有些地方也直接叫比功率)或單位體積電池輸出的功率,單位為W/kg或W/L。


比功率是評(píng)價(jià)電池是否滿足電動(dòng)汽車加速性能的重要指標(biāo)。


比能量和比功率究竟有什么差別?


舉個(gè)形象的例子:


比能量高的動(dòng)力鋰電池就像龜兔賽跑里的烏龜,耐力好,可以長(zhǎng)時(shí)間工作,保證汽車?yán)m(xù)航里程長(zhǎng);


比功率高的動(dòng)力鋰電池就像龜兔賽跑里的兔子,速度快,可以供應(yīng)很高的瞬間電流,保證汽車加速性能好;


下面的參數(shù)稍微有點(diǎn)繞口...


電池放電倍率(C)


放電倍率是指在規(guī)按時(shí)間內(nèi)放出其額定容量(Q)時(shí)所要的電流值,它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)。即:充放電電流(A)/額定容量(Ah),其單位一般為C(C-rate的簡(jiǎn)寫),如0.5C,1C,5C等


舉個(gè)例子,關(guān)于容量為24Ah電池來說:


用48A放電,其放電倍率為2C,反過來講,2C放電,放電電流為48A,0.5小時(shí)放電完畢;


用12A充電,其充電倍率為0.5C,反過來講,0.5C充電,充電電流為12A,2小時(shí)充電完畢;


電池的充放電倍率,決定了我們可以以多快的速度,將一定的能量存儲(chǔ)到電池里面,或者以多快的速度,將電池里面的能量釋放出來。


荷電狀態(tài)(%)


SOC,全稱是StateofCharge,荷電狀態(tài),也叫剩余電量,代表的是電池放電后剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值。


其取值范圍為0~1,當(dāng)SOC=0時(shí)表示電池放電完全,當(dāng)SOC=1時(shí)表示電池完全充滿。電池管理系統(tǒng)(BMS)就是重要通過管理SOC并進(jìn)行估算來保證電池高效的工作,所以它是電池管理的核心。


目前SOC估算重要有開路電壓法、安時(shí)計(jì)量法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等,我們以后再詳細(xì)解讀。


內(nèi)阻


內(nèi)阻是指電池在工作時(shí),電流流過電池內(nèi)部受到的阻力。包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻,其中:歐姆內(nèi)阻包括電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的電阻;極化內(nèi)阻包括電化學(xué)極化電阻和濃差極化電阻。


用數(shù)據(jù)說話,下圖表示一電池放電曲線,X軸表示放電量,Y軸表示電池開路電壓,電池理想放電狀態(tài)為黑色曲線,紅色曲線是考慮到電池內(nèi)阻時(shí)的真實(shí)狀態(tài)。


圖示:Qmax為電池最大化學(xué)容量;Quse為電池實(shí)際容量;Rbat表示電池的內(nèi)阻;EDV為放電終止電壓;I為放電電流;


從圖中可以看出,電池實(shí)際容量Quse<電池理論上的最大化學(xué)容量Qmax。由于電阻的存在,電池的實(shí)際容量會(huì)降低。我們也可以看到,電池實(shí)際容量Quse取決于兩個(gè)因素:放電電流I與電池內(nèi)阻Rbat的乘積,以及放電終止電壓EDV是多少。要指出的是電池內(nèi)阻Rbat會(huì)隨著電池的使用而逐漸增大。


內(nèi)阻的單位一般是毫歐姆(m),內(nèi)阻大的電池,在充放電的時(shí)候,內(nèi)部功耗大,發(fā)熱嚴(yán)重,會(huì)造成電池的加速老化和壽命衰減,同時(shí)也會(huì)限制大倍率的充放電應(yīng)用。所以,內(nèi)阻做的越小,電池的壽命和倍率性能就會(huì)越好。通常電池內(nèi)阻的測(cè)量方法有交流和直流測(cè)試法。


自放電


電池自放電,是指在開路靜置過程中電壓下降的現(xiàn)象,又稱電池的荷電保持能力。


一般而言,電池自放電重要受制造工藝、材料、儲(chǔ)存條件的影響。自放電按照容量損失后是否可逆劃分為兩種:容量損失可逆,指經(jīng)過再次充電過程容量可以恢復(fù);容量損失不可逆,表示容量不能恢復(fù)。


目前對(duì)電池自放電原因研究理論比較多,總結(jié)起來分為物理原因(存儲(chǔ)環(huán)境,制造工藝,材料等)以及化學(xué)原因(電極在電解液中的不穩(wěn)定性,內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng),活性物質(zhì)被消耗等),電池自放電將直接降低電池的容量和儲(chǔ)存性能。


壽命


電池的壽命分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩個(gè)參數(shù)。循環(huán)壽命指的是電池可以循環(huán)充放電的次數(shù)。即在理想的溫濕度下,以額定的充放電電流進(jìn)行充放電,計(jì)算電池容量衰減到80%時(shí)所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。


日歷壽命是指電池在使用環(huán)境條件下,經(jīng)過特定的使用工況,達(dá)到壽命終止條件(容量衰減到80%)的時(shí)間跨度。日歷壽命與具體的使用要求緊密結(jié)合的,通常要規(guī)定具體的使用工況,環(huán)境條件,存儲(chǔ)間隔等。


循環(huán)壽命是一個(gè)理論上的參數(shù),而日歷壽命更具有實(shí)際意義。但日歷壽命的測(cè)算復(fù)雜,耗時(shí)長(zhǎng),所以一般電池廠家只給出循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)。


上圖為一三元鋰離子電池的充放電特性圖,可以看出,不同的充放電方式對(duì)電池的壽命影響不相同,如上圖數(shù)據(jù),以25%-75%充放電的壽命可以達(dá)到2500次,即我們所說的電池淺充淺放。電池壽命這個(gè)話題我們以后還會(huì)深入討論。


電池組的一致性


這個(gè)參數(shù)比較有意思,即使是同一規(guī)格型號(hào)的電池單體在成組后,電池組在電壓、容量、內(nèi)阻、壽命等性能有很大的差別,在電動(dòng)汽車上使用時(shí),性能指標(biāo)往往達(dá)不到單體電池的原有水平。


目前比較合理的解釋:


單體電池在制造出來后,由于工藝的問題,導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)不完全一致,本身存在一定性能差異。初始的不一致隨著電池在使用過程中持續(xù)的充放電循環(huán)而累計(jì),再加上電池組內(nèi)的使用環(huán)境關(guān)于各單體電池也不盡相同,導(dǎo)致各單體電池狀態(tài)出現(xiàn)更大的差異,在使用過程中逐步放大,從而在某些情況下使某些單體電池性能加速衰減,并最終引發(fā)電池組過早失效。


要指出的是,動(dòng)力鋰電池組的性能決定于電池單體的性能,但絕不是單體電池性能的簡(jiǎn)單累加。由于單體電池性能不一致的存在,使得動(dòng)力鋰電池組在電動(dòng)汽車上進(jìn)行反復(fù)使用時(shí),出現(xiàn)各種問題而導(dǎo)致壽命縮短。


除了要求在生產(chǎn)和配組過程中,嚴(yán)格控制工藝和盡量保持單體電池的一致性外,目前行業(yè)普遍采用帶有均衡功能的電池管理系統(tǒng)來控制電池組內(nèi)電池的一致性,以延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。


化成


我們說說最后一個(gè)參數(shù),這個(gè)參數(shù)重要和電池的制造工藝有關(guān)。


電池制成后,要對(duì)電芯進(jìn)行小電流充電,將其內(nèi)部正負(fù)極物質(zhì)激活,在負(fù)極表面形成一層鈍化層SEI(solidelectrolyteinterface)膜,使電池性能更加穩(wěn)定,電池經(jīng)過化成后才能體現(xiàn)其真實(shí)的性能,這一過程稱為化成。


化成過程中的分選過程能夠提高電池組的一致性,使最終電池組的性能提高,化成容量是篩選合格電池的重要指標(biāo)。下圖為SEI膜,像不像黑色的玫瑰花。


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