2.动力电池成组应用基础理论-动力电池基本概念

LOGO王震坡教授北京理工大学电动车辆国家工程实验室动力电池成组应用基础理论—2.动力电池基本概念动力电池的基本概念电池及电池组电池单体（Cell），直接将化学能转化为电能的基本装置和基本单元，是构成电池的基本元件，包括电极、隔膜、电解质、外壳等。电池（Battery），由一个以上的电池单体并联或串联而成，封装在一个物理上独立的电池壳体内，具有独立的正极和负极输出。内燃机汽车上常用的12V或24V启动电池，就是由6片或12片2V的铅酸电池单体串联而成。电池包（BatteryPack），也常常被称为电池组，是由多块电池通过串联或并联构成的一个存储电能或对外输出电能的部件。通常现在意义的电池组还包括动力电池管理系统、电池箱等元器件共同组成。电池模块（BatteryModule）:对于不包含完整电池管理功能的电池组通常称为电池模块。动力电池的基本概念电池及电池组（1）动力蓄电池箱（powerbatteryenclosure/box）：能够承装蓄电池组、蓄电池管理模块以及相应的辅助元器件的机械结构。（2）动力蓄电池包（powerbatterypack）：蓄电池组、蓄电池管理模块、蓄电池箱以及相应附件有机组合构成的具有从外部获得电能并可对外输出电能的单元，简称蓄电池包。（3）快换动力蓄电池包（swappingpowerbatterypack）：能够通过专用装置，必要时人工协助，短时间（一般不超过5min）内完成更换、并可以在非车载情况下进行充电的蓄电池包，简称快换蓄电池包。（4）动力蓄电池系统（powerbatterysystem）：一个或一个以上蓄电池包及相应附件（蓄电池管理系统、高压电路、低压电路、热管理设备以及机械总成）构成的为电动汽车整车提供电能的系统。动力电池的基本概念电池的基本参数1电压1).电动势：热力学的两极平衡电极电位之差，在理论上输出能量大小的度量之一。E式中——电池电动势；——正极的平衡电位；——负极的平衡电位。EE由于正极活性物质一般氧的过电位大，稳定电位接近正极活性物质的平衡电位，同理，负极材料氢的过电位大，稳定电位接近负极活性物质的平衡电位。在表征上电池的开路电压在数值上接近电池的电动势，常常认为电池在断路条件下，正负极间的平衡电势之差，即为电池的电动势。动力电池的基本概念电池的基本参数2).开路电压：在开路状态下，电池两极之间的电势差。一般用表示。电池的开路电压取决于电池正负极材料的活性、电解质和温度条件等，而与电池的几何结构和尺寸大小无关。C开3).额定电压（公称电压或标称电压）：是指在规定条件下电池工作的标准电压。4).工作电压：电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称负荷电压或放电电压。=fVEIREIRR内（）为电池的工作电流；和分别为极化内阻和欧姆内阻。IfRR5).放电终止电压：指电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压值，不同的电池和放电电流大小终止电压也都不相同。动力电池的基本概念电池的基本参数电池类型单体额定电压铅酸电池（VRLA）2V镍镉电池（Ni-Cd）1.2V镍锌电池（Ni-Zn）1.6V镍氢电池（Ni-MH）1.2V锌空气电池（Zn/Air）1.2V铝空气电池（Al/Air）1.4V钠-氯化镍电池（Na/NiCl2）2.5V钠-硫电池（Na/S）2.0V锰酸锂电池（LiMn2O4）3.7V磷酸铁锂电池（LiFePO4）3.2V动力电池的基本概念电池的基本参数2容量定义：电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池容量，表示，其单位常用Ah或mAh表示。CC1).理论容量：假定活性物质全部参加电池的成流反应所能提供的电量。用表示。0C法拉第定律指出：电流通过电解质溶液时，在电极上发生化学反应的物质的量与通过的电量成正比。/QzmFM为电极反应中通过的电量，Ah；是在电极反应式中的电子计量系数；为发生反应的活性物质的质量，g；为活性物质的摩尔质量，；为法拉第常数，约96500或26．8Ah。QzmM1.gmolF动力电池的基本概念2).额定容量：按国家或有关部门规定的标准，保证电池在一定的放电条件（如温度、放电率、终止电压等）下应该放出的最低限度的容量。用表示。gC3).实际容量：指在实际应用工况下放电，电池实际放出的电量，用C表示。由于受放电率的影响较大。常在字母C的右下角以阿拉伯数字标明放电率，例如=50Ah，表明在20小时率下的容量为50Ah。20C计算方法CIT恒电流放电时：0TCIdt恒电阻放电时：I为放电电流；T为放电至终止电压的时间。动力电池的基本概念由于电池内阻的存在，活性物质的利用率总是小于1，因此化学电源的实际容量、额定容量总是低于理论容量。活性物质的利用率定义为：1100%mm0100%CC或为活性物质的实际质量；为放出实际容量时所应消耗的活性物质的质量。m1m4).剩余容量：在一定放电倍率下放电后，电池剩余的的可用容量。放电率、放电时间等因素以及电池老化程度、应用环境等多种因素影响，所以在准确估算上存在一定的困难。动力电池的基本概念电池的基本参数3内阻定义：电流通过电池内部时受到阻力，使电池的工作电压降低，该阻力称为电池内阻。内阻特性：电池内阻不是常数，在放电过程中受到活性物质的组成、电解液浓度和温度的变化和放电时间的影响。电池内阻包括欧姆内阻（）和电极在电化学反应时所表现出的极化内阻（），两者之和称为电池的全内阻（）。RfRR内=+fRRR内动力电池的基本概念电池内阻欧姆内阻：由电极材料、电解液、隔膜的内阻及各部分零件的接触电阻组成，遵守欧姆定律。极化内阻：指化学电源的正极与负极在电化学反应进行时由于极化所引起的内阻。受活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺和温度的影响蓄电池内阻的解析表达式：1,,=,+()+(,,)waeleaaRiCRCRCbEiCI1(,,)aabEiCIbaIE,elRC()eRC为电池极化内阻；：为电池以电流；：充、放电时，电池端电压相对于在额定容量条件下电池端电压的变化系数；：是电解液的阻值；：是电极阻值。动力电池的基本概念电池产生极化现象的原因为：1.欧姆极化：充放电过程中，为了克服欧姆内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。电流越大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的温度越高。2.浓度极化：电流流过蓄电池时，生成物和反应物的扩散速度比化学反应速度慢，造成极板附近电解质溶液浓度发生变化，即，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。3.电化学极化：是由于电极上进行的电化学反应的速度落后于电极上电子运动的速度造成的。动力电池的基本概念4能量与能量密度电池的基本参数定义：电池在一定放电制度下，电池所能释放出的能量，常用Wh或kWh表示。电池能量分类：理论能量：实际能量：电池在放电过程中始终处于平衡状态，其放电电压保持电动势（E）的数值，而且活性物质的利用率为100%，即放电容量为理论容量00WCE电池放电时实际输出的能量。()()WVtItdtWCV平动力电池的基本概念电池的基本参数4能量与能量密度电池的能量密度：单位质量或单位体积的电池所能输出的能量，称质量比能量（Wh/kg）或体积比能量（Wh/L）。理论比能量（）：指单位质量或单位体积电池反应物质完全放电时理论上所能输出的能量。0W0W实际比能量（）：单位质量或单位体积电池反应物质所能输出的实际能量，由电池实际输出能量与电池质量（或体积）之比来表征W分类：WWG和WWV动力电池的基本概念电池的基本参数实际比能量与理论比能量的关系可以表示如下：0ERmWWKKKEKRKmK其中，：电压效率；：为反应效率；：为质量效率。由于电池组安装需要电池箱、连接线、电流电压保护装置等元器件，因此实际的电池组比能量比电池比能量还要下降一些。电池比能量与电池包比能量之间的差距越小，电池组的成组设计水平越高，电池包的集成度越高。动力电池的基本概念电池的基本参数5功率与功率密度功率：电池在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为瓦（W）或千瓦（kW）。理论功率为：000WCEPIEtt：为放电时间；：是电池的理论容量；：是恒定的放电电流。t0CI实际功率为：02()PIVIEIRIEIR内内：消耗于电池内阻上的功率2IR内动力电池的基本概念电池的基本参数5功率与功率密度功率密度：单位质量或单位体积电池输出的功率称为功率密度，又称比功率，单位为W/kg或W/L。评价电池及电池组是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。蓄电池的放电深度（DOD）密切相关。因此，在表示蓄电池功率和比功率时还应该指出蓄电池的放电深度。动力电池的基本概念6荷电状态电池的基本参数电池荷电状态（SOC：是英文StateofCharge的缩写）：描述了电池的剩余电量，是电池使用过程中的重要参数，与电池的充放电历史和充放电电流大小有关。CSOCC额:为额定容量；:为电池剩余的按额定电流放电的可用容量C额CSOC的影响因素比较多，例充放电倍率、温度、自放电、老化等，修正公式：=SOC剩余容量额定容量容量衰减因子剩余容量额定容量-净放电量-自放电量-温度补偿容量动力电池的基本概念电池的基本参数6荷电状态常用的SOC估计算法：开路电压、安时累积、电化学测试、电池模型、神经网络、阻抗频谱以及卡尔曼滤波等（第九章讲解）7放电深度放电深度（简称DOD，是英文DepthofDischarge的缩写）是放电容量与额定容量之比的百分数，与SOC之间存在如下数学计算关系1DODSOC动力电池的基本概念电池的基本参数8使用寿命循环寿命是评价蓄电池使用的技术经济性的重要参数。蓄电池经历一次充电和放电，称为一次循环，或者一个周期。在一定放电制度下，二次电池的容量降至某一规定值之前，电池所能耐受的循环次数。循环寿命与DOD的关系：蓄电池循环寿命400次/100%DOD或1000次/50%DOD。蓄电池中，锌银蓄电池的循环寿命最短，一般只有30～100次；铅酸蓄电池的循环寿命为300～500次；锂离子电池的使用周期较长，可充放电1000次以上。循环寿命的差异：动力电池的基本概念电池的基本参数8使用寿命电池失效原因：1.电极活性表面积在充放电过程中不断减小，使工作电流密度上升，极化增大；2.电极上活性物质脱落或转移；3.在电池工作过程中，某些电极材料发生腐蚀；4.在循环过程中电极上生成枝晶，造成电池内部微短路；5.隔膜的老化和损耗；6.活性物质在充放电过程中发生不可逆晶形改变，因而使活性降低。动力电池的基本概念电池的基本参数9自放电率自放电率：电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池的容量损失的速度。100%abaAhAhAht自放电率=aAhbAht：为电池储存时的容量（Ah）；：为电池储存若干小时以后的容量（Ah）；：为电池储存的时间自放电率通常与时间和环境温度有关，温度越高自放电现象越明显。动力电池的基本概念电池的基本参数10不一致性电池的不一致性：同一规格、同一型号电池在电压、内阻、容量、充电接受能力、循环寿命等参数存在的差别。电池的不一致性一般以电压差、容量差、内阻差的统计规律进行表示11成本电池成本一般以电池单位容量或能量的成本进行表示，单位为元/Ah或元/kWh。对于不同类型或同类型不同生产厂家、不同型号的电池可以进行比较。动力电池的基本概念电池的基本参数12放电制度放电制度就是电池放电时所规定的各种条件，包括放电速率（电流）、终止电压和温度等。1）放电电流放电电流：电池放电时的电流大小，通常用放电率表示，放电率是指电池放电时的速率，有时率或倍率两种表示形式。放电电流时率：以一定的放电电流放完额定容量所需的时间（h），用C/n来表示，C为额定容量，n为一定的放电电流。倍率：电池在规定的时间内放出其额定容量所输出的电流值。它在数值上等于额定容量的倍数。动力电池的基本概念电池的基本参数12放电制度2）终止电压终止电压