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罗列锂电池各个参数

2018/05 百韧锂电池 阅读

锂离子电池单体由正负、电极、电解液和隔膜组成,是组成电池模块和电池组的基本结构单元。电池作为一种电化学电源天然的具有电压、内阻、容量、能量、功率等特性参数。

在动力锂电池系统中,各个参数能够表征系统的不同性能,本文罗列锂电池各个参数。

锂电池单体

锂离子电池单体由正负、电极、电解液和隔膜组成,是组成电池模块和电池组的基本结构单元。电池作为一种电化学电源天然的具有电压、内阻、容量、能量、功率等特性参数。

人们主要的出于两个方面的目的,希望对电池的参数进行测量和评价。

一个是为了实现主动控制的目的,比如,电池单体电压不一致,使得系统能量存储能力降低,如果能够主动调节两极的单体电压,则可以起到放大系统容量的效果。

另一个是为了安全考虑,电池的参数有其固定的范围,检测电池参数,实施监控其边界,可以起到表征电池安全状态的作用。

电压

单体电压主要的取决于单体正负极材料的类型,一般的钴酸锂、三元正极配合石墨负极可以获得4.2V左右的满充电压,而磷酸铁锂最高只能达到3.6V。这里的电压,准确的说应该是电势取决于材料属性,电势数值上等于静置足够长时间以后的电池开路电压。

而闭合回路中的单体端电压,是我们用外部仪器检测到的电压值,其数值等于电池电势减去电池内阻占压。而电池内阻并非恒定不变,会受到多种因素的影响而发生变化,这些在下面一节再说。

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继续说电压,单体电压除了由材料决定以外,会跟随荷电量的变化而变化,并且是一一对应的关系,因此,在很多情形下,无法直接简单测量的电池荷电量(SOC)经常被用电池开路电压进行推测。

单体电压与电池内部活性物质的活跃程度有关,因此影响活跃度的温度,也能在小范围内影响到单体电压的高低。

单体电压越高,同样容量的电池含有的能量就越多,因此,在确保安全前提下,提高单体电压上限值,是提高系统能量密度的一条技术路线。

内阻

锂电池内部,锂离子从一极运动到另一极,过程中阻碍离子运动的因素共同的组成了锂电池的内阻。其主要的部分包括导电件的物理内阻;电机材料、隔膜和电解质等电化学物质固有的阻抗;电池内部通过存在电流时临时增加的对锂离子运动产生的阻碍;这三部分共同构成了内阻的主体。

内阻对温度最为敏感,不同温度下,内阻值可以发生很大变化。低温下电池性能下降,其重要的原因之一就是低温下电池内阻过大造成的。

锂电池作为一个电源,从外部看,内阻肯定是越小越好。尤其在功率应用情形下,小内阻是必要的条件。

容量

锂电池容量,可度量的容量,是在电池合理的最高最低电压范围内,可以充入和放出的最大电量。在搭载到车辆上之前,单体的容量可以用充放电的方式去测量。一旦上车以后,电池容量只能依靠算法估计。在电池管理系统BMS中,准确估计电池荷电状态SOC是其设计水平的重要指征。

当前为人们熟知的做法是对于动态工作情形下,对回路电流安时积分,在非工作状态,用电池开路电压校核电池电量。其他的方法虽然种类繁多,但不是稳定性不佳就是计算量过大,真正被应用于批量的并不多见。

单体的容量明显的受到老化程度的影响,大家都知道,容量衰减到一个极限值就是电池淘汰的时候,可见二者具有绝对的相关性。其次,容量还收到温度的影响,低温下,活性物质活性下降,能够提供的离子变少,容量必然跟着下降。

功率

这里的功率,准确的说应该是比功率,是一只单体的充放电功率能力或者说单位质量或者单位体积电芯的充放电功率能力。

锂电池是否能进行大功率充放电,这在它被设计完成的时候就已经决定了。同样是磷酸铁锂材质或者三元材质,采用工艺手段、改变电极厚度或者加入添加剂、调整活性物质结构,电解质性质,电极SEI膜性质,都可以起到调整电池功率性能的目的。一般的,功率性能与能量密度往往无法共存,同一种材料,追求高功率,则会部分的牺牲掉能量密度。

电芯一旦被生产出来,其合理的最大充放电电流就已经确定了,除了调整电池散热条件,能够小范围改变其最大充放功率以外,几乎没有进一步调整的空间。

除了比功率,还有几个折合到单位质量或者体积上,更能看出电池水平的参数。

比容量、比能量

体积比容量就是容量除以电池体积,质量比容量就是容量除以质量。从这里延伸开去,把电池成本折合到单位容量上,也就是从电池充放电能力角度谈论价格:电池单体容量性价比计算方式为价格比容量,即单位价钱的电池所能放出的电量。不过,一般这种方式比较少用。

类似的,电池单体质量比能量为能量除以质量,即单位质量的电池能放出的能量;体积比能量,即单位体积的电池或活性物质所能放出的能量;从单位能量价格定义电池价格,是行业里比较通用的方式,谈论电池价格,就是1kWh多少钱。

锂离子电池模块

电池模块由若干电池单体串并联组合形成,是组成电池组的元素。电池模块在实际运行中很少作为一个主体被单独评价,偶尔一些系统中,会检测其电压值。

实际上,人们往往把模块看成一块大电池。不同的是,模块存在单体一致性问题,其内部电芯电压差是均衡功能考察的重点。电池模块的性能往往受制于组成电池模块中性能最低电池单体,并主要体现在容量这个指标上。充电的时候,电压高的单体最先充满;放电的时候,电压低的电芯最先放完。

而很可能这两个电芯并非同一颗。因此,模块内部电芯参数的一致性就对模块性能产生了决定性的影响。一致性,是模块级别比单体多出来的需要考量的一个参数。这个参数在模块成组之初,会通过各种手段对电芯进行筛选来保证;模块生产完毕,一致性则是其验收的重要指标;在运行过程中,则只能依靠BMS的均衡功能来保证。

锂离子电池系统

电池组一般由模块串联组成。电池组除了继承模块的全部参数以外,其总电压决定了电动汽车动力系统的电压平台,是非常重要的参数。

电池组整体上还有几个涉及到安全的指标会被持续监测。电池包输出正负极对地电阻,系统漏电流,高压互锁信号,系统最高最低温度,系统最大温差,系统最大温升速率,系统最高最低单体电压等等。

以上都是从电性能来说的,作为一个结构整体,电池包还有很多参数需要持续关注,还有环境耐受性能,滥用耐受性能,此处不一一列举。


来源:电子发烧友