2.動(dòng)力電池成組應(yīng)用基礎(chǔ)理論-動(dòng)力電池基本概念

1、王震坡 教授北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室動(dòng)力電池成組應(yīng)用基礎(chǔ)理論2.動(dòng)力電池基本概念動(dòng)力電池的基本概念電池及電池組 電池單體（Cell），直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的基本裝置和基本單元，是構(gòu)成電池的基本元件，包括電極、隔膜、電解質(zhì)、外殼等。電池（Battery），由一個(gè)以上的電池單體并聯(lián)或串聯(lián)而成，封裝在一個(gè)物理上獨(dú)立的電池殼體內(nèi)，具有獨(dú)立的正極和負(fù)極輸出。內(nèi)燃機(jī)汽車上常用的12V或24V啟動(dòng)電池，就是由6片或12片2V的鉛酸電池單體串聯(lián)而成。電池包（Battery Pack），也常常被稱為電池組，是由多塊電池通過串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的一個(gè)存儲(chǔ)電能或?qū)ν廨敵鲭娔艿牟考?。通常現(xiàn)在意義的電池組還包括動(dòng)

2、力電池管理系統(tǒng)、電池箱等元器件共同組成。電池模塊（Battery Module）:對(duì)于不包含完整電池管理功能的電池組通常稱為電池模塊。動(dòng)力電池的基本概念電池及電池組 （1）動(dòng)力蓄電池箱 （power battery enclosure/box）：能夠承裝蓄電池組、蓄電池管理模塊以及相應(yīng)的輔助元器件的機(jī)械結(jié)構(gòu)。（2）動(dòng)力蓄電池包（ power battery pack）：蓄電池組、蓄電池管理模塊、蓄電池箱以及相應(yīng)附件有機(jī)組合構(gòu)成的具有從外部獲得電能并可對(duì)外輸出電能的單元，簡(jiǎn)稱蓄電池包。（3）快換動(dòng)力蓄電池包 （swapping power battery pack）：能夠通過專用裝置，必要時(shí)人工

3、協(xié)助，短時(shí)間（一般不超過5min）內(nèi)完成更換、并可以在非車載情況下進(jìn)行充電的蓄電池包，簡(jiǎn)稱快換蓄電池包。（4）動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)（ power battery system）：一個(gè)或一個(gè)以上蓄電池包及相應(yīng)附件（蓄電池管理系統(tǒng)、高壓電路、低壓電路、熱管理設(shè)備以及機(jī)械總成）構(gòu)成的為電動(dòng)汽車整車提供電能的系統(tǒng)。動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 1 電壓1). 電動(dòng)勢(shì)：熱力學(xué)的兩極平衡電極電位之差，在理論上輸出能量大小的度量之一。 式中 電池電動(dòng)勢(shì)； 正極的平衡電位； 負(fù)極的平衡電位。 由于正極活性物質(zhì)一般氧的過電位大，穩(wěn)定電位接近正極活性物質(zhì)的平衡電位，同理，負(fù)極材料氫的過電位大，穩(wěn)定電位接近負(fù)極活性物

4、質(zhì)的平衡電位。在表征上電池的開路電壓在數(shù)值上接近電池的電動(dòng)勢(shì)，常常認(rèn)為電池在斷路條件下，正負(fù)極間的平衡電勢(shì)之差，即為電池的電動(dòng)勢(shì)。 動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 2). 開路電壓：在開路狀態(tài)下，電池兩極之間的電勢(shì)差。一般用 表示。電池的開路電壓取決于電池正負(fù)極材料的活性、電解質(zhì)和溫度條件等，而與電池的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸大小無關(guān)。 3). 額定電壓（公稱電壓或標(biāo)稱電壓）：是指在規(guī)定條件下電池工作的標(biāo)準(zhǔn)電壓。 4). 工作電壓：電池接通負(fù)載后在放電過程中顯示的電壓，又稱負(fù)荷電壓或放電電壓。 為電池的工作電流； 和 分別為極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻。 5). 放電終止電壓：指電池放電時(shí)，電壓下降到不宜再繼續(xù)

5、放電的最低工作電壓值，不同的電池和放電電流大小終止電壓也都不相同。 動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 電池類型單體額定電壓鉛酸電池（VRLA）2V鎳鎘電池（Ni-Cd）1.2V鎳鋅電池（Ni-Zn）1.6V鎳氫電池（Ni-MH）1.2V鋅空氣電池（Zn/Air）1.2V鋁空氣電池（Al/Air）1.4V鈉-氯化鎳電池（Na/NiCl2）2.5V鈉-硫電池（Na/S）2.0V錳酸鋰電池（LiMn2O4）3.7V磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）3.2V動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 2 容量定義：電池在一定的放電條件下所能放出的電量稱為電池容量， 表示，其單位常用Ah或mAh表示。 1). 理論容

6、量 ：假定活性物質(zhì)全部參加電池的成流反應(yīng)所能提供的電量。用 表示。 法拉第定律指出：電流通過電解質(zhì)溶液時(shí)，在電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過的電量成正比。 為電極反應(yīng)中通過的電量，Ah； 是在電極反應(yīng)式中的電子計(jì)量系數(shù)；為發(fā)生反應(yīng)的活性物質(zhì)的質(zhì)量，g； 為活性物質(zhì)的摩爾質(zhì)量， ；為法拉第常數(shù)，約96500或268Ah。 動(dòng)力電池的基本概念2). 額定容量 ：按國(guó)家或有關(guān)部門規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件（如溫度、放電率、終止電壓等）下應(yīng)該放出的最低限度的容量。用 表示。3). 實(shí)際容量 ：指在實(shí)際應(yīng)用工況下放電，電池實(shí)際放出的電量，用C表示。由于受放電率的影響較大 。常在字母C的右下角

7、以阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)明放電率，例如 =50Ah，表明在20小時(shí)率下的容量為50Ah。 計(jì)算方法 恒電流放電時(shí) ：恒電阻放電時(shí) ：I為放電電流；T為放電至終止電壓的時(shí)間。 動(dòng)力電池的基本概念由于電池內(nèi)阻的存在，活性物質(zhì)的利用率總是小于1，因此化學(xué)電源的實(shí)際容量、額定容量總是低于理論容量?；钚晕镔|(zhì)的利用率定義為：或?yàn)榛钚晕镔|(zhì)的實(shí)際質(zhì)量； 為放出實(shí)際容量時(shí)所應(yīng)消耗的活性物質(zhì)的質(zhì)量。 4). 剩余容量 ：在一定放電倍率下放電后，電池剩余的的可用容量。放電率、放電時(shí)間等因素以及電池老化程度、應(yīng)用環(huán)境等多種因素影響，所以在準(zhǔn)確估算上存在一定的困難。 動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 3 內(nèi)阻定義：電流通過電池內(nèi)

8、部時(shí)受到阻力，使電池的工作電壓降低，該阻力稱為電池內(nèi)阻。 內(nèi)阻特性：電池內(nèi)阻不是常數(shù)，在放電過程中受到活性物質(zhì)的組成、電解液濃度和溫度的變化和放電時(shí)間的影響。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻（ ）和電極在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)出的極化內(nèi)阻（ ），兩者之和稱為電池的全內(nèi)阻（ ）。 動(dòng)力電池的基本概念電池內(nèi)阻歐姆內(nèi)阻 ：由電極材料、電解液、隔膜的內(nèi)阻及各部分零件的接觸電阻組成，遵守歐姆定律 。極化內(nèi)阻 ：指化學(xué)電源的正極與負(fù)極在電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行時(shí)由于極化所引起的內(nèi)阻。受活性物質(zhì)的本性、電極的結(jié)構(gòu)、電池的制造工藝和溫度的影響蓄電池內(nèi)阻的解析表達(dá)式 ：為電池極化內(nèi)阻；：為電池以電流；：充、放電時(shí)，電池端電壓相對(duì)于在額定

9、容量條件下電池端電壓的變化系數(shù)；：是電解液的阻值；：是電極阻值。 動(dòng)力電池的基本概念電池產(chǎn)生極化現(xiàn)象的原因?yàn)椋?1. 歐姆極化：充放電過程中，為了克服歐姆內(nèi)阻，外加電壓就必須額外施加一定的電壓，以克服阻力推動(dòng)離子遷移。電流越大，歐姆極化將造成蓄電池在充電過程中的溫度越高。 2. 濃度極化：電流流過蓄電池時(shí)，生成物和反應(yīng)物的擴(kuò)散速度比化學(xué)反應(yīng)速度慢，造成極板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化，即，從電極表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻。3. 電化學(xué)極化：是由于電極上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的速度落后于電極上電子運(yùn)動(dòng)的速度造成的。 動(dòng)力電池的基本概念4 能量與能量密度 電池的基本參數(shù) 定義：電池在一定放電制度

10、下，電池所能釋放出的能量，常用Wh或kWh表示。 電池能量分類：理論能量：實(shí)際能量 ：電池在放電過程中始終處于平衡狀態(tài)，其放電電壓保持電動(dòng)勢(shì)（E）的數(shù)值，而且活性物質(zhì)的利用率為100%，即放電容量為理論容量 電池放電時(shí)實(shí)際輸出的能量。 動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 4 能量與能量密度 電池的能量密度：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或單位體積的電池所能輸出的能量，稱質(zhì)量比能量（Wh/kg）或體積比能量（Wh/L） 。 理論比能量（ ）：指單位質(zhì)量或單位體積電池反應(yīng)物質(zhì)完全放電時(shí)理論上所能輸出的能量。 實(shí)際比能量（ ）：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或單位體積電池反應(yīng)物質(zhì)所能輸出的實(shí)際能量，由電池實(shí)際輸出能量與電池質(zhì)量（或體積）之比來表

11、征 分類：和動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 實(shí)際比能量與理論比能量的關(guān)系可以表示如下： 其中， ：電壓效率；：為反應(yīng)效率；：為質(zhì)量效率。 由于電池組安裝需要電池箱、連接線、電流電壓保護(hù)裝置等元器件，因此實(shí)際的電池組比能量比電池比能量還要下降一些。電池比能量與電池包比能量之間的差距越小，電池組的成組設(shè)計(jì)水平越高，電池包的集成度越高。 動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 5 功率與功率密度 功率：電池在一定的放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池輸出的能量，單位為瓦（W）或千瓦（kW）。 理論功率為： ：為放電時(shí)間 ； ：是電池的理論容量 ； ：是恒定的放電電流 。實(shí)際功率為： ：消耗于電池內(nèi)阻上的功率 動(dòng)力

12、電池的基本概念電池的基本參數(shù) 5 功率與功率密度 功率密度 ：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或單位體積電池輸出的功率稱為功率密度，又稱比功率，單位為W/kg或W/L。評(píng)價(jià)電池及電池組是否滿足電動(dòng)汽車加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。 蓄電池的放電深度（DOD）密切相關(guān)。因此，在表示蓄電池功率和比功率時(shí)還應(yīng)該指出蓄電池的放電深度 。動(dòng)力電池的基本概念6 荷電狀態(tài) 電池的基本參數(shù) 電池荷電狀態(tài)（SOC：是英文State of Charge的縮寫）：描述了電池的剩余電量，是電池使用過程中的重要參數(shù)，與電池的充放電歷史和充放電電流大小有關(guān)。 :為額定容量； :為電池剩余的按額定電流放電的可用容量 SOC的影響因素比較多，例充放電倍

13、率、溫度、自放電、老化等，修正公式：動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 6 荷電狀態(tài) 常用的SOC估計(jì)算法：開路電壓、安時(shí)累積、電化學(xué)測(cè)試、電池模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、阻抗頻譜以及卡爾曼濾波等 （第九章講解）7 放電深度 放電深度（簡(jiǎn)稱DOD，是英文Depth of Discharge 的縮寫）是放電容量與額定容量之比的百分?jǐn)?shù)，與SOC之間存在如下數(shù)學(xué)計(jì)算關(guān)系 動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 8 使用壽命 循環(huán)壽命是評(píng)價(jià)蓄電池使用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)。蓄電池經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一次循環(huán)，或者一個(gè)周期。在一定放電制度下，二次電池的容量降至某一規(guī)定值之前，電池所能耐受的循環(huán)次數(shù) 。 循環(huán)壽命與DOD

14、的關(guān)系：蓄電池循環(huán)壽命400次/100%DOD或1000次/50%DOD。 蓄電池中，鋅銀蓄電池的循環(huán)壽命最短，一般只有30100次；鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命為300500次；鋰離子電池的使用周期較長(zhǎng)，可充放電1000次以上。 循環(huán)壽命的差異：動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 8 使用壽命 電池失效原因：1. 電極活性表面積在充放電過程中不斷減小，使工作電流密度上升，極化增大； 2. 電極上活性物質(zhì)脫落或轉(zhuǎn)移； 3. 在電池工作過程中，某些電極材料發(fā)生腐蝕； 4. 在循環(huán)過程中電極上生成枝晶，造成電池內(nèi)部微短路； 5. 隔膜的老化和損耗； 6.活性物質(zhì)在充放電過程中發(fā)生不可逆晶形改變，因而使活性降

15、低。 動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 9 自放電率 自放電率：電池在存放時(shí)間內(nèi)，在沒有負(fù)荷的條件下自身放電，使得電池的容量損失的速度 。：為電池儲(chǔ)存時(shí)的容量（Ah）；：為電池儲(chǔ)存若干小時(shí)以后的容量（Ah）；：為電池儲(chǔ)存的時(shí)間 自放電率通常與時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)，溫度越高自放電現(xiàn)象越明顯。動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 10 不一致性 電池的不一致性 ：同一規(guī)格、同一型號(hào)電池在電壓、內(nèi)阻、容量、充電接受能力、循環(huán)壽命等參數(shù)存在的差別。 電池的不一致性一般以電壓差、容量差、內(nèi)阻差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行表示 11 成本 電池成本一般以電池單位容量或能量的成本進(jìn)行表示，單位為元/Ah或元/kWh。對(duì)于不同類

16、型或同類型不同生產(chǎn)廠家、不同型號(hào)的電池可以進(jìn)行比較。 動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 12 放電制度 放電制度就是電池放電時(shí)所規(guī)定的各種條件，包括放電速率（電流）、終止電壓和溫度等。 1）放電電流放電電流：電池放電時(shí)的電流大小，通常用放電率表示，放電率是指電池放電時(shí)的速率，有時(shí)率或倍率兩種表示形式。 放電電流時(shí)率：以一定的放電電流放完額定容量所需的時(shí)間（h），用C/n來表示，C為額定容量，n為一定的放電電流。 倍率：電池在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放出其額定容量所輸出的電流值。它在數(shù)值上等于額定容量的倍數(shù)。 動(dòng)力電池的基本概念電池的基本參數(shù) 12 放電制度 2）終止電壓終止電壓：電池放電時(shí)，電壓下降到不宜

17、再繼續(xù)放電的最低工作電壓。 影響因素：1. 電池材料體系 2. 電池結(jié)構(gòu) 3. 放電率 4. 環(huán)境溫度 低溫大電流放電時(shí)，電極的極化大，活性物質(zhì)不能充分利用，電池的電壓下降較快。故在低溫或大電流（高倍率）放電時(shí)，終止電壓可規(guī)定得低些。同理，小電流放電時(shí)，終止電壓可規(guī)定得高些。 分析：動(dòng)力電池的基本概念充電方法 電池充電應(yīng)該完成的功能： 在恢復(fù)電池容量的前提下，充電時(shí)間越短越好； 修復(fù)由于深放電，極化等導(dǎo)致的電池性能破壞； 對(duì)電池補(bǔ)充充電，克服電池自放電引起的不良影響。最佳充電曲線 美國(guó)科學(xué)家馬斯提出了蓄電池可接受的充電曲線，表明充電電流按這條曲線變化，可以大大縮短充電時(shí)間，并且對(duì)電池的容量和壽

18、命也沒有影響。動(dòng)力電池的基本概念充電方法 1 常規(guī)充電方法 常規(guī)充電方法恒流充電法 :恒壓充電法 :階段充電法 :調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方式使充電電流強(qiáng)度保持不變的充電方法。 在蓄電池充電過程中，充電電源電壓始終保持一定。 包含多種充電方法的組合，如先恒流后恒壓充電法、多段恒流充電法、先恒流再恒壓最后恒流等。 動(dòng)力電池的基本概念充電方法 1 常規(guī)充電方法 恒流充電曲線 恒壓充電法曲線 單體電池充電曲線 控制簡(jiǎn)單，充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，產(chǎn)生大量的熱量。 特點(diǎn)：起初充電電流很大，容易造成電池報(bào)廢；中后期電動(dòng)勢(shì)增大，電流過小，形成長(zhǎng)期充電不足。常用的為先恒流

19、再恒壓的充電方式 動(dòng)力電池的基本概念充電方法 2 快速充電方法 目的：能夠最大限度地加快蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度，縮短蓄電池達(dá)到滿充電狀態(tài)的時(shí)間，同時(shí)保證蓄電池正負(fù)極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕，提高蓄電池使用效率。常見的方法：1). 脈沖式充電法 2). ReflexTM快速充電法 3). 變電流間歇充電法 4). 變電壓間歇充電法 5). 變電壓變電流波浪式間歇正負(fù)零脈沖快速充電法 動(dòng)力電池的基本概念充電方法 2 快速充電方法 1). 脈沖式充電法 首先用脈沖電流對(duì)電池充電，然后停充一段時(shí)間，再用脈沖電流對(duì)電池充電，如此循環(huán) 。脈沖式充電曲線 充電脈沖使蓄電池充滿電量，同時(shí)間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓。 動(dòng)力電池的基本概念充電方法 2 快速充電方法 2). Refl