動(dòng)力鋰電池電壓特性

1、動(dòng)力鋰電池的電壓特性鋰電池的基本參數(shù)有端電壓、電動(dòng)勢(shì)、容量、內(nèi)阻、荷電狀態(tài)(SOC)、放電深度(DepthofDischarge，DOD)、循環(huán)使用壽命(CycleLife)和自放電率等。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行鋰電池基本電路的特性分析和描述。1.3.1電壓特性端電壓指的是鋰電池正極和負(fù)極之間的電位差，按照電路運(yùn)行情況可以分為開路電壓(Open-CircuitVoltage，OCV)和工作電壓。開路電壓是鋰電池在不帶負(fù)載、不接其他電源情況下的端電壓。一般情況下，由于電池具有內(nèi)阻，放電時(shí)的工作電壓低于開路電壓，充電時(shí)的工作電壓高于開路電壓。在充電結(jié)束時(shí)，電池允許達(dá)到的最高電壓稱為充電截止電壓，在放電結(jié)束

2、時(shí)電池允許達(dá)到的最低電壓稱為放電截止電壓。超過(guò)這一范圍，電池就會(huì)遭受一些不可逆轉(zhuǎn)的損害。截止電壓是一項(xiàng)重要的安全指標(biāo)。工作電壓是指電池處于工作狀態(tài)時(shí)，正極與負(fù)極之間的電位差。由于電池內(nèi)部存在內(nèi)阻，工作電壓會(huì)低于開路電壓。類似于額定電壓分類方式，按照工作狀態(tài)，鋰電池電壓分為額定電壓、理論電壓、開路電壓和帶載工作電壓。額定電壓由電池生產(chǎn)廠商在電池生產(chǎn)后、出廠之前直接標(biāo)定；理論電壓是電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)平衡后正負(fù)極電勢(shì)差的理論值，用E代表，其計(jì)算過(guò)程為=爭(zhēng)+-化(1-7)式中，+為電池正極電勢(shì)；-為電池負(fù)極電勢(shì)。開路電壓可通過(guò)直接將萬(wàn)用表或電壓表連接在鋰電池正負(fù)極兩端測(cè)量。開路電壓即為本書中等效模型仿真

3、所使用的電壓。因鋰電池并不是理想的電源，電解液和電極材料都有內(nèi)阻存在，所以開路電壓略小于電動(dòng)勢(shì)，在內(nèi)阻極小時(shí)，可以將電池開路電壓作為電動(dòng)勢(shì)處理。實(shí)際工作條件下，鋰電池的工作瞬時(shí)電壓是動(dòng)態(tài)變化的，其中過(guò)充電和過(guò)放電的現(xiàn)象無(wú)法避免，且會(huì)對(duì)鋰電池造成傷害，所以鋰電池在實(shí)際使用中會(huì)設(shè)置上、下限電壓；上、下限截止電壓需要合理設(shè)置，若上限截止電壓設(shè)置過(guò)高，可能出現(xiàn)安全隱患；若設(shè)置過(guò)低，則有可能出現(xiàn)電池充不滿的情況。同樣，若下限截止電壓設(shè)置過(guò)低，則也可能出現(xiàn)電池安全隱患；但若設(shè)置過(guò)高，則會(huì)出現(xiàn)電池電能采用效率過(guò)低的情況。經(jīng)過(guò)研究，在放電倍率較高、環(huán)境溫度較低的情況下，對(duì)鋰電池進(jìn)行放電使用時(shí)，可將放電下限截止

4、電壓設(shè)置得低一點(diǎn)。鋰電池開路電壓特性鋰電池的開路電壓是鋰電池在充分?jǐn)R置后電池兩端的電壓值。電池有電流通過(guò)，使電位偏離了平衡電位的現(xiàn)象，稱為電極極化。電極極化可分為濃差極化和化學(xué)極化。受歐姆效應(yīng)以及極化效應(yīng)影響，電池在使用過(guò)程中電壓波動(dòng)不定，因此OCV的獲得通常需要將電池?cái)R置足夠長(zhǎng)的時(shí)間。因?yàn)镺CV與SOC有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以若知道電池當(dāng)前的OCV,便可知其對(duì)應(yīng)SOC，這便是所謂的開路電壓法。為研究電池開路電壓特性，即獲得OCV與SOC關(guān)系曲線，在室溫為23C時(shí)對(duì)電池進(jìn)行循環(huán)放電擱置實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：對(duì)電池進(jìn)行恒流恒壓充電。以1C倍率恒流充電至上限截止電壓4.2V，然后進(jìn)行恒壓充電，充電截

5、止電流為0.05C。充電完成后對(duì)電池進(jìn)行擱置，穩(wěn)定電池電壓。由于所選取鋰電池容量較小，所以選定擱置時(shí)間為30min。2）選取SOC采樣點(diǎn)為1.00、0.95、0.90、0.85、0.80、0.70、0.60、0.50、0.40、0.30、0.20、0.15、0.10、0.05。由于鋰電池放電初期和末期電壓變化明顯，所以SOC采樣點(diǎn)間隔小，以期獲得更為準(zhǔn)確的OCV-SOC特性曲線。3）以1C倍率對(duì)鋰電池進(jìn)行恒流放電，放電截止電壓為2.75V。每次放電達(dá)到SOC采樣點(diǎn)時(shí)停止放電，將電池?cái)R置30min,認(rèn)為此時(shí)的電池端電壓即為開路電壓，而后繼續(xù)放電直至電池SOC為0，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)Origi

6、n擬合得到OCV-SOC關(guān)系特性曲線，如圖1-3所示。2927(J.4圖“OCV-SOC關(guān)系曲線由圖1-3可知，隨著電池SOC的增加，電池的OCV也隨之增加。在電池放電中期，電壓變化趨于平緩，稱為電池的放電平臺(tái)效應(yīng)。電池放電初期以及末期，電池OCV變化明顯。此時(shí)，電池OCV的微小變化都會(huì)引起電池SOC的劇烈變化。因此，使用OCV來(lái)獲取SOC的方法，不適用于在線估計(jì)鋰電池的SOC。采用MATLAB/cftool工具，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可擬合得到OCV-SOC的7階多項(xiàng)式如下：SOC.i=75.232xoC；-27（l.5xSi+117.S9xS（）（；-27.427xSOt；-3.925椒SO

7、C十占23/1中，SOCk為k時(shí)刻電池SOC；UOC，k為其對(duì)應(yīng)的開路電壓。為充分研究鉆酸鋰電池在充放電實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的開路電壓特性，在室溫為23國(guó)的條件下運(yùn)用EBC-A10H電池容量測(cè)試儀對(duì)鋰電池進(jìn)行循環(huán)放電實(shí)驗(yàn)。鋰電池額定電壓為3.7V，但考慮到在實(shí)際工作情況中鋰電池工作電壓略超過(guò)額定電壓，因此首先以1C倍率恒電壓將電池進(jìn)行充電，至截止電壓4.15V。設(shè)置1.0C、1.5C和2.0C倍率放電，對(duì)電池進(jìn)行連續(xù)的放電擱置實(shí)驗(yàn)。將放電時(shí)間設(shè)置為4min?？紤]到所選取的鋰電池為小容量電池，且基于實(shí)驗(yàn)時(shí)間的考慮，設(shè)置放電過(guò)程中擱置時(shí)長(zhǎng)為12min。再在每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行OCV采集，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后采用Orig

8、in擬合，得到放電過(guò)程中開路電壓隨時(shí)間的變化曲線。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：1）以1.0C倍率放電，放電4min，循環(huán)15次。2）以1.5C倍率放電，放電4min,循環(huán)13次。3）以2.0C倍率放電，放電4min,循環(huán)10次。為防止電池過(guò)放電，將截止電壓設(shè)置為3V,中間擱置時(shí)間都為12min。現(xiàn)將三種倍率放電過(guò)程都繪制于同一圖中進(jìn)行比較，如圖1-4所示。斗申020UUAW6000WO10QW12M）t/s圖1-4不同放電倍率下電壓變化曲線圖1-4中1.0C、1.5C和2.0C代表不同的放電倍率。分析圖1-4可知，在不同放電倍率情況下，隨著放電時(shí)間的加長(zhǎng)，開路電壓都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且放電倍率越高，下降趨勢(shì)

9、越明顯。同一時(shí)刻，放電倍率越高，開路電壓越低。再將電池靜止擱置時(shí)的開路電壓采樣，得到不同放電倍率下靜止開路電壓的變化圖，如圖1-5所示。不同擱置時(shí)長(zhǎng)對(duì)開路電壓的影響圖：L-5不同放電倍率？開路電壓變化曲線圖1-5中，0CV1、0CV2以及0CV3表示在1.0C、1.5C以及2.0C放電倍率下開路電壓的變化曲線，橫坐標(biāo)表示放電過(guò)程中電池?cái)R置次數(shù)即電壓采集次數(shù)。由圖可以清晰地看到，在放電末期，不同放電倍率的開路電壓變化都趨于平緩2.0C倍率放電末期，開路電壓高于1.5C倍率，而1.5C倍率的開路電壓又要高于1.0C。這是因?yàn)楦弑堵史烹姇r(shí)間快，相較于低倍率開路電壓變化快，那么放電末期電壓反彈得也就越

10、高。2.不同擱置時(shí)長(zhǎng)對(duì)開路電壓的影響為研究在不同擱置時(shí)長(zhǎng)下鋰電池的開路電壓變化特性，選取1.5C放電倍率下的鋰電池放電擱置實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，擱置時(shí)間設(shè)置為5min、8min和12min，得到三種不同的電壓變化曲線，如圖1-6所示。4.03.83.23.001000200030004000500060007000KOOO9000t/a5min8minI2min圖1-6中，三條曲線分別代表不同擱置時(shí)間下電壓變化曲線，橫坐標(biāo)代表放電時(shí)間。從圖中可以看出，放電初期電壓變化趨勢(shì)大，后期較為平緩。為進(jìn)一步了解開路電壓在不同擱置時(shí)間下的變化情況，取電池?cái)R置時(shí)的開路電壓，并將三種擱置時(shí)間下的開路電壓進(jìn)行曲線繪制與比較，如圖1-7所示。34710355bEl-7不同闊置時(shí)間下開路電壓變化曲線0CV(5mm0CV2(Smm：i0