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動力(lì)電池原理概念
從事新(xīn)能源汽車行業的朋友,對於(yú)其核心動力電池,相信大(dà)家都會有一定的了解,但是真正去探討相關問題的時候,又覺得一知半解。小編將通過最淺顯易懂的(de)方式解讀(dú)動力電池的相關概(gài)念、結構及工作原理,讓(ràng)大家對動力電池有更深入的理解。
一、若幹重要概念
1、電壓(V)
①開路電(diàn)壓:指電池在沒有連接外電路或者外負載時的電壓。開路電壓與電池的剩餘能量有一定的聯係,電量顯示就是利用這個原理。
②工作電壓:是指電(diàn)池在工作狀態下即電路中有電流流過時電池正負極之間的電勢差,又稱負載電壓。在電池放電工作狀態下(xià),當電流流過電池內部時,必須克服內阻的(de)阻力,故(gù)工作電壓總是低於(yú)開路(lù)電壓。
③放電截止電壓:指電池充滿電後進行(háng)放電(diàn),放完電時達到的電壓(若繼續放電則(zé)為過度放電,對電池的壽命和性能有損傷)。
④充電限製電壓:充電過程中(zhōng)由恒流變為恒壓(yā)充電的電壓。
電池充放電電壓變化曲線
2、電池容量(Ah)
①定義:電池容量是指電池所能夠儲存的(de)電量多(duō)少,容量(liàng)是電池電性(xìng)能的重要指標(biāo),它由電極(jí)的活(huó)性物質(zhì)決定。
②單位:容量用C表示,單位用Ah(安時)或mAh(毫安時)表示。
③公式:C=It,即電池容量(Ah)=電流(A)x放電時間(h)。
④舉例:容量為10安時的電池,以5安培放電可放2小時,以10安培(péi)放電可放1小時。
⑤影響因素:電池的實際容量主要取決於(yú)以下幾個因素(sù):活性物質(zhì)的數量、質量,活性物(wù)質(zhì)的(de)利用率。
⑥額定容量:在規定條件下測(cè)得的,由(yóu)製造商給定的蓄(xù)電池容量(liàng)。
⑦可用容量:在規定條件下,從完全充(chōng)電的蓄電池中釋放的電量。
⑧理論容量:假設活性物質完全被利用(yòng),蓄電池可釋放的容量(liàng)。
3、電池(chí)能量(Wh)
①定義(yì):指電池儲存的能量的多少,用Wh來表示
②公式:能量(Wh)=額定電壓(V)×工作電(diàn)流(A)×工(gōng)作時間(jiān)(h)。
③舉例:3.2V15Ah單體電芯的能量為48Wh,3.2V100Ah電池組的能量為320Wh。
電池(chí)能量是衡量電池帶動設備(bèi)做功的重要指標,容量不能決定做功的多少。
4、能量密度(Wh/Kg)
①定義:指單位體積或單位(wèi)質(zhì)量所(suǒ)釋放的能量,通常用體積能量密度(Wh/L)或(huò)質量能量密度(dù)(Wh/kg)表示。
②舉例:如一節鋰電池重325g,額定(dìng)電壓為3.7V,容量為10Ah,則其(qí)能(néng)量密度為113Wh/kg,下表為理論值,在實際(jì)應用情況中需要考慮(lǜ)電池結構中的殼體、零件等各方麵因素。
目前鋰(lǐ)電池的能量密度是鎳(niè)鎘和鎳氫電池的(de)3和1.5倍,能量密度的高低是由(yóu)材料密度與(yǔ)結構決定的。
5、功率與功率密度
①功率是指在一定的放電製度下,單位(wèi)時間內電池輸出的能量,單位為W或kW。
②功率密度又稱比功率,是單位質量或(huò)單位體積電池(chí)輸出的功率,單位為W/kg或(huò)W/L。比功率是評價電池及電池包是否滿足電動汽(qì)車加速和爬坡能力的(de)重要指標。更多新能源汽車行業專業解讀和最新資訊,可關注電動知家微信公眾號。
6、放電倍率(lǜ)(A)
①定義(yì):放電倍率是指在規定時間內放出其額定容量(C)時所需要的電流值,它在數值上等於電池額定容(róng)量的倍數。
②舉例:以10Ah電池舉例,以2A放電,則放電倍率為(wéi)0.2C,以20A放電,則放電倍率為2C。
7、充電方式
①CC/CV:CC即恒流,以固定的電流對電池充電;CV即恒壓,以固定的電(diàn)壓對電池充電,充電電流會隨著電池充滿逐漸下降。
②涓流充電:指以小於0.1C電(diàn)流對電池充電,一般在電池接近(jìn)充滿電時,迚行補充充電時采用,若電池對充電時間沒有嚴格要求的話,建議采用涓流(liú)充(chōng)電方式充(chōng)電。
③浮充電:隨時(shí)對蓄電池用恒壓充電,使其保持一定的荷電狀態(tài)。
8、充、放電深度(SOCDOD):電池保有容量數值的(de)表示方法(fǎ)。
①荷電狀態state-of-ge(SOC):蓄電池放電後剩餘容量與全荷電容量的百分(fèn)比。
②放電深度depthofdisge(DOD):表示(shì)蓄電池放電狀態的參數,等於實際放電(diàn)容(róng)量與(yǔ)額定(dìng)容量的百分(fèn)比。
③深度放電deepdisge:表示蓄電50%或更大的(de)容量被(bèi)釋放的程(chéng)度。
④舉(jǔ)例:充、放電深度以百分比率來表示,如:容量為10Ah的電池放電(diàn)後容量變為2Ah,可以稱(chēng)為80%DOD;容量為10Ah的電池(chí),充電後容量為8Ah,80%SOC。形容滿充滿放,通常稱(chēng)為100%DOD。
9、內阻
①定義:電池的內阻是(shì)指(zhǐ)電池在工作時,電流流過電池內部受到的阻力。內阻大小主要受電池的材(cái)料、製造工藝、電池(chí)結構等因素的影響。
②分類(lèi):電池內阻包括(kuò)歐姆內(nèi)阻和極化內阻,歐姆內阻是由電極材料、電解液、隔膜電(diàn)阻及各部分零件的接觸電阻組成,極(jí)化內阻包括電化學極化與濃差極化引起的電阻。
③影響因素:電池內阻是一個(gè)非常複雜(zá)而又非常重要的特性,影響內阻的因素有(yǒu)材料、結構(gòu)等。
④產生結果:由於內阻的存在,當電池放電時,電(diàn)流經過內阻要產生熱量,消耗能量,電流(liú)越大(dà),消耗能(néng)量越多,所以(yǐ)內阻越小,電池的性能越好,不僅電池的實際工作電壓高,消耗在內阻上的能(néng)量也少。
10、自放電率(%/月)
①定(dìng)義:電池(chí)在(zài)儲存過程中,容量會(huì)逐漸下降,其減少的容量與電池容量的比例,稱(chēng)為自放電率。
②原因:由於電極在電解液(yè)中的(de)不穩定性,電池的兩個電極發生(shēng)了化學反應,活性物質被消耗,轉為電能的化學(xué)能減少,電池容量下降。
③影響因素:環(huán)境溫度對其影響較大,過高溫度會加速電池的自放電(diàn)
④表示:電(diàn)池(chí)容量(liàng)衰(shuāi)減(自(zì)放電率)的表達方法和單位為:%/月。
⑤產生結果:電池自放(fàng)電將直接降低電池(chí)的(de)容量,自放電率直接影響電池(chí)的儲存性能,自放電率(lǜ)越低,貯存性能越好。
11、循環壽命(次)
①定義:二(èr)次電池經曆一次充放電稱為一個周期或一(yī)次循環,電池在反複充放電後,容量(liàng)會逐漸下降,在一定(dìng)的放電條件下,電池容量降至80%時,電(diàn)池所經受的循環次數就(jiù)是循環壽命。
②影(yǐng)響因素:不正確使用電池,電池材料,電解質的組成和濃度,充放電倍率,放電深度(DOD%),溫度,製(zhì)作工藝等都對電池的循環壽命有(yǒu)影響。
12、記憶效應
①定義:電池的記憶效應是指未完全放(fàng)電的電池(chí),在下一次充電時所(suǒ)能充電的百分比。
②原(yuán)因:電池內物質產生結(jié)晶,如鎳鎘電池(chí)中,Cd不斷聚集成團形成大塊金屬鎘,降低了負極的活性(xìng)。
③避免(miǎn):為了(le)消除電池(chí)的記憶效應,在充電之前,必須先完全放電,然後再充電。
鋰離子電池無記憶效應。
13、放電平台
指放電曲(qǔ)線中電壓基本保持水平的部分。放電平台越高、越長、越平穩,電池的放電性能越好。
14、電池組的(de)一致性(xìng)
由多個單體電芯串連、並聯(lián)在一起就組成(chéng)了電池組(zǔ)。電池組的整體性能和壽命取決於(yú)其中性能較差的一個(gè)電(diàn)芯,這就(jiù)要求電池組中每個電芯性能的一致性要高。除了單(dān)體電芯本身性能的誤差和原材料質量的好壞,最主要原因是(shì)製造工藝,工藝的改進對提高電池的質(zhì)量非(fēi)常重要。
15、化成
電池製成後,通過一定的充放電方式將其內部正負極活性物質激活,改善電池的充放(fàng)電性能及自(zì)放電、貯存等綜(zōng)合性能的過程稱為化成。電池經過化成後才能體現其真實的性能。同時化成過程(chéng)中的分選過程(chéng)能夠提高電(diàn)池組的一致性,使最終電池組(zǔ)的性能提高。更多新能源(yuán)汽車方麵專業知識及最新資訊可以專注電動(dòng)知(zhī)家微信公眾號。
二、鋰電池結構與(yǔ)原理解讀
1、鋰電池基本結構
主(zhǔ)要材料:正(zhèng)極、負極、電解液、隔膜
結構:圓形、方形;疊片、卷繞
形態:聚合物(wù)(軟包裝)、液態鋰(lǐ)離子(鋼殼)
2、鋰電池工(gōng)作原理
正極材料:LiMn2O4,負極材料:石墨
充電時正極的Li+和電解液中的Li+向負極聚(jù)集,得到電子,被(bèi)還原成Li鑲嵌在負極的碳素材料中。放電時鑲嵌在負極(jí)碳(tàn)素(sù)材料中(zhōng)的Li失去電子,進入電(diàn)解液,電解液內的Li+向正極移動。
3、鋰電池組成原理(lǐ)
①正極構造
LiMn2O4(錳酸鋰)+導電劑(jì)(乙(yǐ)炔黑)+粘(zhān)合劑(PVDF)+集流體(鋁箔)正極
②負極構造
石墨+導電劑(乙炔黑)+粘(zhān)合劑(PVDF)+集流體(銅箔)負極
4、充電過程
電源給電池充電,此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上,正鋰離子Li+從正極“跳進”電(diàn)解液裏,“爬過(guò)”隔膜上(shàng)彎彎曲曲的小洞,“遊泳(yǒng)”到達負極,與(yǔ)早就跑過來的電子結合在一起。
正極上發生的反應為LiMn2O4==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(電子)
負極(jí)上發生的反應為6C+XLi+Xe==LixC6
5、放電過程
電池放電(diàn),此時負極上的電子(zǐ)e從通(tōng)過外部電路(lù)跑到正極上,正鋰離子Li+從負極“跳進”電解(jiě)液裏,“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞,“遊泳”到達正極,與早就跑過(guò)來(lái)的電子(zǐ)結(jié)合在一起。
正極上發(fā)生的反應為Li1-xMn2O4+xli++xe(電子(zǐ))==LiMn2O4
負極上發生的反應為(wéi)LixC6==6C+xLi+xe